操作系统篇-进程管理和中断

野性酷女 2022-12-13 11:25 281阅读 0赞

以下针对java来说明

## 1. 进程 线程 纤程 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

### 进程和线程区别 ###

进程就是一个程序运行起来的状态，线程是一个进程中的不同的执行路径。  
进程是OS分配资源的基本单位，线程是执行调度的基本单位。分配资源最重要的是：独立的内存空间，线程调度执行（线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间）

### 线程在Linux中的实现 ###

《Linux内核设计与实现》第三版28页  
线程在Linux就是一个普通的进程，只不过和其他进程共享资源（内存空间，全局数据等）

其他系统都有各自所谓的LWP的实现 Light Weight Process(轻量级进程)

### 纤程 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
即：用户空间的线程

为什么需要纤程：  
java启动线程，在操作系统级别，就是启一个LWP。这是重量级线程。因为java启动线程需要向操作系统申请资源，和操作系统内核打交道，需要系统调用。  
而纤程是线程中的线程，对应图最上面蓝色框，在用户空间，不需要向操作系统申请。  
纤程处于线程内部，非常轻量级，可以在线程中快速切换。JVM自己管理，自己实现调度，自己切换，与操作系统无关。

纤程优势：

1.  占有资源很少 OS : 线程:1M vs Fiber:4K
2.  切换比较简单
3.  启动很多个10W+

纤程的应用场景：  
很短的计算任务，不需要和内核打交道，并发量高

## 2. 进程 ##

Linux中也称为task，是系统分配资源的基本单位  
资源包括：独立的地址空间，内核数据结构（进程描述符…），全局变量， 数据段…  
Linux进程描述符：PCB （Process Control Block），用于Linux的进程管理（线程有他的PCB）

### 僵尸进程 ###

ps -ef |grep defunct (defunct表示无用的僵尸进程)

父进程产生子进程后，会维护子进程的PCB结构，子进程退出后，由父进程释放，如果父进程没有释放，那么子进程会成为一个僵尸进程（defunct）

### 孤儿进程 ###

子进程结束之前，父进程已经退出，就会产生孤儿进程，孤儿进程会成为Init进程的子进程，由1号进程维护 (在图形化Linux中是1457号线程)

### 调度策略 ###

早期Linux 2.5 内核用的是Unix O(1)调度策略，按固定的时间片给程序

Linux内核2.6.23 采用CFS调度策略：Completely Fair Scheduler  
按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例，优先执行。 (比如有的程序开始没做什么就会让出给其他程序，当开始需要做的时候，优先执行)

默认调度策略：  
实时进程 > 普通进程  
实时进程优先级分高低 - FIFO (First In First Out)，优先级一样的时候 - RR轮询（Round Robin）  
普通进程： CFS

其中等级最高的是FIFO，这种进程除非自己让出CPU否则Linux会一直执行它，除非更高级的FIFO和RR抢占它  
RR只是这种这种进程中是同级别FIFO中的平均分配 ---- 比如FIFO中有两个都是90优先级的进程，这时候按照RR执行。  
只有实时进程主动让出，或者执行完毕后，普通进程才有机会运行。

## 3. 中断 ##

### 硬中断 ###

硬件和操作系统通信的一种机制  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
执行过程：  
键盘 -----中断控制器(通知cpu一个中断信号来了)--------cpu(在内存中固定位置找处理程序)-------执行程序(查中断向量表，把中断信号给kernel)-------kernel(根据中断信号找程序)----------中断处理程序（已经写好的一堆处理程序，有处理键盘的，有处理打印机的）-----------------先由OS内核处理（上半场）------------再由应用程序处理（下半场）

### 软中断（80中断） ###

中断向量表特殊的符号  
系统调用：int 0x80 (INT是用于x86处理器的汇编指令) 或者 sysenter原语(现在的cpu在硬件级别直接支持，汇编码)

通过ax寄存器填入调用号(比如1代表exit函数，2代表fork函数)  
参数是通过bx cx dx si di传入内核  
返回值通过ax返回

系统调用实现的hello world代码：

;以下例子主要调用了内核空间的write函数 
    ;write(int fd, const void *buffer, size_t nbytes) 
    ;fd文件描述符,buffer要写的内容,nbytes内容的长度
    
    .section .data ;数据段声明
    msg:
            .ascii "Hello world!\n"
    .section .text ;代码段声明
    .globl _start ;指定入口函数
    _start: ;在屏幕上显示一个字符串
            movl $4, %eax ;系统调用sys_write
            movl $1, %ebx ;文件描述符1，std_out
            movl $msg, %ecx
            movl $13, %edx
            int $0x80
            movl $1, %eax ;系统调用sys_exit
            movl $0, %ebx
            int $0x80

系统调用是通过int 0x80来实现的，eax寄存器中为调用的功能号，ebx、ecx、edx、esi等等寄存器则依次为参数，从 /usr/include/asm/unistd.h中可以看到exit的功能号\_NR\_exit为1，write(\_NR\_write)功能号为4，因此第一个int 0x80调用之前eax寄存器值为4，ebx为文件描述符，stdout的文件描述符为1，ecx则为buffer的内存地址，edx为buffer长度。第二个int0x80之前eax为1表示调用exit，ebx为0表示传入参数0。

注：eax 是32位的,ax是16位的

java中例子  
java读网络 – jvm read() – c库read() - > 内核空间 -> system\_call() （系统调用处理程序）-> sys\_read()

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/04876d7045ba4f51b04f43afa6af9bd6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221123/6d23a0b10a064d23b89712058fa25f16.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzODczNDMx_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221123/5513cf3e6fdc4979aeffec9a7576e5a2.png