操作系统（介于八股和文章之间）

各大八股以及笔记整理而成，笔记早期记录，太过青涩，八股要么太杂要么太细，所以以自己的方式提炼重点

内存管理

1.为什么要有虚拟内存？

单片机的 CPU 是直接操作内存的「物理地址」，
如果在内存中同时运行两个程序，将会出现内存覆盖，擦掉第二个程序存放在相同位置上的所有内容。

问题：问题是这两个程序都引用了绝对物理地址

注：单片机没有操作系统系统来实现虚拟地址

两种地址的概念**两种地址的概念：

• 程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址
• 存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址

解决：

• 进程所使用的地址「隔离」，操作系统为每个进程分配独立的一套「虚拟地址」，每个进程都不能访问物理地址，由操作系统负责将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来

• 操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存，

1.5操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？

内存分段和内存分页

内存分段：

• 分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。
• 段选择因子：段号，用作段表的段内描述符的索引，段表里每一个段内描述符主要保存了段的基地址和段界限，在段内段内偏移量不超过段界限的情况下，段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址

虚拟地址是通过段表与物理地址进行映射的，分段机制会把程序的虚拟地址分成 4 个段，每个段在段表中有一个项，在这一项找到段的基地址，再加上偏移量，于是就能找到物理内存中的地址

分段的缺点：

• 内存碎片
  
  • 1G 的物理内存，三个程序连续分配内存，剩下128M，如果浏览器程序释放，只有两块不连续的128M内存，无法供256的程序使用
  • 内存碎片主要分为，内部内存碎片和外部内存碎片
    • 内部分配内存根据实际需求分配，不会产生内部内存碎片
    • 解决外部碎片：内存交换（linux分配在硬盘的swap内存空间）
      • 将另一个大程序写到硬盘读回内存，再紧挨前一个内存，就可以使得后面的内存变成一大块
• 内存交换的效率低
  • 产生了外部内存碎片，内存交换需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上，硬盘的访问速度要比内存慢太多了

内存分页：

• • 分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移页号，作为页表的索引，页表由虚拟页号和物理页号，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址
    内存地址转换，其实就是这样三个步骤：

• 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；

• 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；

• 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

内存分页： 虚拟和物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小的页，Linux 下，每一页的大小为 4KB，虚拟地址与物理地址之间通过页表来映射
页表是存储在内存里的，内存管理单元 （MMU）就做将虚拟内存地址转换成物理地址的工作

• 内分碎片

  • 内存分页机制分配内存的最小单位是一页，页与页之间是紧密排列的，不会有外部碎片，即使程序不足一页大小，我们最少只能分配一个页，所以会有内部内存碎片的现象

• 内存交换效率

  • 内存空间不够，「最近没被使用」的内存页面给释放掉，换出在硬盘上，需要再加载进内存，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页内存交换的效率就相对比较高。只有在程序运行中，需要用到对应虚拟内存页里面的指令和数据时，再加载到物理内存里面去。

多级页表、TLB、段页式内存管理(略)

• 页表占用的内存空间更少了，提高空间，导致 CPU 在寻址的过程中，需要有很多层表参与，加大了时间上的开销
• 负责缓存最近常被访问的页表项，大大提高了地址的转换速度
• 但提高了内存的利用率

2.inux内外核

计算机是由各种外部硬件设备组成的，应用都要和这些硬件设备对接通信协议，让内核作为应用连接硬件设备的桥梁，应用程序只需关心与内核交互，不用关心硬件的细节。

内核一般会提供 4 个基本能力：

• 管理进程、线程，决定哪个进程、线程使用 CPU，也就是进程调度的能力；
• 管理内存，决定内存的分配和回收，也就是内存管理的能力；
• 管理硬件设备，为进程与硬件设备之间提供通信能力，也就是硬件通信能力；
• 提供系统调用，如果应用程序要运行更高权限运行的服务，那么就需要有系统调用，它是用户程序与操作系统之间的接口。

内存根据权限分成了两个区域

• 内核空间，这个内存空间只有内核程序可以访问；
• 用户空间，这个内存空间专门给应用程序使用；

当程序使用用户空间时，我们常说该程序在用户态执行，而当程序使内核空间时，程序则在内核态执行。
应用程序如果需要进入内核空间，就需要通过系统调用
内核程序执行在内核态，用户程序执行在用户态。当应用程序使用系统调用时，会产生一个中断。发生中断后， CPU 会中断当前在执行的用户程序，转而跳转到中断处理程序，也就是开始执行内核程序。内核处理完后，主动触发中断，把 CPU 执行权限交回给用户程序，回到用户态继续工作。

Linux 的虚拟地址空间是如何分布的

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同

• 32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间；
• 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

内核空间与用户空间的区别

• 进程在用户态时，只能访问用户空间内存；
• 只有进入内核态后，才可以访问内核空间的内存
  每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

用户空间分布

• 代码段，包括二进制可执行代码；
• 数据段，包括已初始化的静态常量和全局变量；
• BSS 段，包括未初始化的静态变量和全局变量；
• 堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长；
• 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关 (opens new window)）；
• 栈段，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；
  代码段下面还有一块区域是「保留区」,比较小数值的地址不是一个合法地址,我们通常在 C 的代码里会将无效的指针赋值为 NULL,这里会出现一段不可访问的内存保留区，防止程序因为出现 bug，导致读或写了一些小内存地址的数据

进程管理

进程、线程

小故事帮助理解

我们写好的一行行代码，为了让其工作起来，我们还得把它送进城（进程）里，那既然进了城里，那肯定不能胡作非为了。
城里人有城里人的规矩，城中有个专门管辖你们的城管（操作系统），人家让你休息就休息，让你工作就工作，毕竟摊位不多，每个人都要占这个摊位来工作，城里要工作的人多着去了。
所以城管为了公平起见，它使用一种策略（调度）方式，给每个人一个固定的工作时间（时间片），时间到了就会通知你去休息而换另外一个人上场工作。
另外，在休息时候你也不能偷懒，要记住工作到哪了，不然下次到你工作了，你忘记工作到哪了，那还怎么继续？
有的人，可能还进入了县城（线程）工作，这里相对轻松一些，在休息的时候，要记住的东西相对较少，而且还能共享城里的资源。

malloc 是如何分配内存的？

malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存
malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

• 方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存
  通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间

• 方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存；
  mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存

什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

• 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
• 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

malloc() 分配的是虚拟内存。

如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。

只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系

malloc(1) 会分配多大的虚拟内存？

malloc() 在分配内存的时候会预分配更大的空间作为内存池。，内存大小由内核的内存管理器决定，多出来的一块内存用来给free记录内存块的大小方便free

free 释放内存，会归还给操作系统吗？

• malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
  当进程再次申请 1 字节的内存时就可以直接复用，这样速度快了很多。
• malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放

为什么不全部使用 mmap 来分配内存？

申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用 mmap 来分配内存，等于每次都要执行系统调用。

因为 mmap 分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。

• 频繁通过 mmap 分配的内存话，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致 CPU 消耗较大。

解决： malloc 通过 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。

下次申请内存可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低 CPU 的消耗。

既然 brk 那么牛逼，为什么不全部使用 brk 来分配？

brk 从堆空间分配的内存，并不会归还给操作系统，申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间

如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。

因此，随着系统频繁地 malloc 和 free ，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。

free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了 16 字节保存了该内存块的描述信息，比如有该内存块的大小。

1进程

概念：运行可执行文件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，运行中的程序，就被称为「进程」（Process）。

并发和并行有什么区别

CPU中断与并行（CPU 管理多个进程）：
一个读取硬盘数据的程序，当进程要从硬盘读取数据时，CPU 不需要阻塞等待数据的返回，而是去执行另外的进程。当硬盘数据返回时，CPU 会收到个中断，于是 CPU 再继续运行这个进程。

并发：1 秒钟期间，多个程序、交替执行，产生并行的错觉

进程与程序的关系的类比

到了晚饭时间，一对小情侣肚子都咕咕叫了，于是男生见机行事，就想给女生做晚饭，所以他就在网上找了辣子鸡的菜谱，接着买了一些鸡肉、辣椒、香料等材料，然后边看边学边做这道菜，突然，女生说她想喝可乐，那么男生只好把做菜的事情暂停一下，并在手机菜谱标记做到哪一个步骤，把状态信息记录了下来。
 
然后男生听从女生的指令，跑去下楼买了一瓶冰可乐后，又回到厨房继续做菜。
 
这体现了，CPU 可以从一个进程（做菜）切换到另外一个进程（买可乐），在切换前必须要记录当前进程中运行的状态信息，以备下次切换回来的时候可以恢复执行。

进程的状态

在一个进程的活动期间至少具备三种基本状态，即运行状态、就绪状态、阻塞状态

• 一个进程并不是自始至终连续不停地运行的，它与并发执行中的其他进程的执行是相互制约的
  各个状态的意义
• 运行状态（Running）：该时刻进程占用 CPU；
• 就绪状态（Ready）：可运行，由于其他进程处于运行状态而暂时停止运行；
• 阻塞状态（Blocked）：该进程正在等待某一事件发生（如等待输入/输出操作的完成）而暂时停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行
• 创建状态（new）：进程正在被创建时的状态；
• 结束状态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态；
• 挂起状态：描述进程没有占用实际的物理内存空间的情况
• • 阻塞挂起状态：进程在外存（硬盘）并等待某个事件的出现
• • 就绪挂起状态：进程在外存（硬盘），但只要进入内存，即刻立刻运行

进程的状态变迁：

• NULL -> 创建状态：一个新进程被创建时的第一个状态；
• 创建状态 -> 就绪状态：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，这个过程是很快的；
• 就绪态 -> 运行状态：处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后，就分配给 CPU 正式运行该进程；
• 运行状态 -> 结束状态：当进程已经运行完成或出错时，会被操作系统作结束状态处理；
• 运行状态 -> 就绪状态：处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给它的运行时间片用完，操作系统会把该进程变为就绪态，接着从就绪态选中另外一个进程运行；
• 运行状态 -> 阻塞状态：当进程请求某个事件且必须等待时，例如请求 I/O 事件；
• 阻塞状态 -> 就绪状态：当进程要等待的事件完成时，它从阻塞状态变到就绪状态；
  
  物理内存空间是有限的，被阻塞状态的进程占用着物理内存就一种浪费物理内存的行为，通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到硬盘，等需要再次运行的时候，再从硬盘换入到物理内存。

导致进程挂起的其他原因：

• 通过 sleep 让进程间歇性挂起，其工作原理是设置一个定时器，到期后唤醒进程。
• 用户希望挂起一个程序的执行，比如在 Linux 中用 Ctrl+Z 挂起进程；

进程的控制结构

进程控制块：来描述进程的数据结构，PCB 是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个 PCB，如果进程消失了，那么 PCB 也会随之消失。
PCB 具体包含什么信息呢

• 进程描述信息：

  • 进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符；
  • 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；

• 进程控制和管理信息：

  • 进程当前状态，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；
  • 进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；

• 资源分配清单：

  • 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息，所打开文件的列表和所使用的 I/O 设备信息。

• CPU 相关信息：

  • CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时，CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB 中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。

每个 PCB 是如何组织的呢？

链表把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列

• 将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；
• 把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；

索引方式:将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表。

链表的好处：一般会选择链表，因为可能面临进程创建，销毁等调度导致进程状态发生变化，所以链表能够更加灵活的插入和删除。

进程的控制

进程的状态变迁和进程的数据结构 PCB了解之后，可以了解具体过程。

创建进程
操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源。

• 申请一个空白的 PCB，并向 PCB 中填写一些控制和管理进程的信息，比如进程的唯一标识等；
• 为该进程分配运行时所必需的资源，比如内存资源；
• 将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

终止进程
进程可以有 3 种终止方式：正常结束、异常结束以及外界干预（信号 kill 掉）。

当子进程被终止时，其在子进程处继承的资源应当还给父进程。而当父进程被终止时，该父进程的子进程就变为孤儿进程，会被 1 号进程收养，并由 1 号进程对它们完成状态收集工作。

• 查找需要终止的进程的 PCB；
• 如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
• 如果其还有子进程，则应将该进程的子进程交给 1 号进程接管；
• 将该进程所拥有的全部资源都归还给操作系统；
• 将其从 PCB 所在队列中删除

阻塞进程
当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一个进程唤醒。

• 找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
• 如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
• 将该 PCB 插入到阻塞队列中去；

唤醒进程
如果某进程正在等待 I/O 事件，需由别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它。

• 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
• 将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
• 把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

进程的阻塞和唤醒是一对功能相反的语句，如果某个进程调用了阻塞语句，则必有一个与之对应的唤醒语句。

进程的上下文切换

各个进程之间是共享 CPU 资源的，一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。

CPU 上下文切换：CPU 寄存器和程序计数是 CPU 在运行任何任务前，所必须依赖的环境，这些环境就叫做 CPU 上下文。

• 把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

• 系统内核会存储保持下来的上下文信息，当此任务再次被分配给 CPU 运行时，CPU 会重新加载这些上下文，这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

• 根据任务的不同，把 CPU 上下文切换分成：进程上下文切换、线程上下文切换和中断上下文切换。

CPU 寄存器： CPU 内部一个容量小，但是速度极快的内存（缓存）

• 我举个例子，寄存器像是你的口袋，内存像你的书包，硬盘则是你家里的柜子，如果你的东西存放到口袋，那肯定是比你从书包或家里柜子取出来要快的多。

程序计数器：用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置进程的上下文切换

进程的上下文切换
进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。

把交换的信息保存在进程的 PCB，当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行，如下图所示：

发生进程上下文切换有哪些场景？

• 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
• 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；
• 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
• 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；
• 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

2线程

什么是线程 ：

线程是进程当中的一条执行流程。同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优缺点？

• 一个进程中可以同时存在多个线程；
• 各个线程之间可以并发执行；
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；

线程的缺点
当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（针对c++以及linux环境）

线程与进程的比较

• 进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
• 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
• 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
  • 线程能减少并发执行的时间和空间开销；
  • 线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；
  • 线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；
  • 同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；
  • 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；

所以，不管是时间效率，还是空间效率线程比进程都要高。

线程的上下文切换

线程上下文切换的是什么？

• 当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
• 当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

线程的实现

• 用户线程（User Thread）：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由用户态的线程库来完成线程的管理；
• 内核线程（Kernel Thread）：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程；
• 轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中来支持用户线程
  略

进程间通信

每个进程的用户地址空间都是独立的，一般而言是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核。
匿名管道：，竖线就是一个管道，管道传输数据是单向的$ ps auxf | grep mysql，竖线就是一个管道，竖线就是一个管道，管道传输数据是单向的

命名管道：

`$ mkfifo myPipe`//数据是先进先出的传输方式
echo "hello" > myPipe  // 将数据写进管道
                         // 停住了 ...
$ cat < myPipe  // 读取管道里的数据
hello
//管道里的内容被读取出来了，并打印在了终端上，另外一方面，echo 那个命令也正常退出了。

那管道如何创建呢，背后原理是什么？

int pipe(int fd[2])表示创建一个匿名管道，并返回了两个描述符，一个是管道的读取端描述符 fd[0]，另一个是管道的写入端描述符 fd[1]

进程管道通信

fork 创建子进程，创建的子进程会复制父进程的文件描述符，两个进程各有两个「 fd[0] 与 fd[1]」，两个进程就可以通过各自的 fd 写入和读取同一个管道文件实现跨进程通信了。

• 对于匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件，只能通过 fork 来复制父进程 fd 文件描述符，来达到通信的目的。
• 对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道，提前创建了一个类型为管道的设备文件，在进程里只要使用这个设备文件，就可以相互通信。

管道只能一端写入，另一端读出，所以上面这种模式容易造成混乱，因为父进程和子进程都可以同时写入，也都可以读出。那么，为了避免这种情况，通常的做法是：

• 父进程关闭读取的 fd[0]，只保留写入的 fd[1]；
• 子进程关闭写入的 fd[1]，只保留读取的 fd[0]；写入

管道:

• 就是内核里面的一串缓存,写缓存在内核中的，从内核中读取这段数据
• 管道传输的数据是无格式的流且大小受限
• 通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据，
• 简单，得知管道里的数据已经被另一个进程读取了

消息队列

管道的通信方式是效率低的，因此管道不适合进程间频繁地交换数据。
实现：

• 消息队列的通信模式就可以解决。比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。
• 消息队列是保存在内核中的消息链表，用户自定义的一个个固定大小数据块，消息队列生命周期随内核

缺点：

• 不适合比较大数据的传输，内核中消息体和消息体队列长度都有上限
• 消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销
• 写入数据到内核中的消息队列——从用户态拷贝数据到内核态
• 读取数据内核态拷贝数据到用户态
• 通信不及时
• 大小限制

共享内存

消息队列的读取和写入的过程，都会有发生用户态与内核态之间的消息拷贝过程。那共享内存的方式，就很好的解决了这一问题

实现： 共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。

信号量

为了避免共享内存多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：

• 一个是 P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
• 另一个是 V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；
  
• 进程 A 在访问共享内存前，先执行了 P 操作，由于信号量的初始值为 1，故在进程 A 执行 P 操作后信号量变为 0，表示共享资源可用，于是进程 A 就可以访问共享内存。
• 若此时，进程 B 也想访问共享内存，执行了 P 操作，结果信号量变为了 -1，这就意味着临界资源已被占用，因此进程 B 被阻塞。
• 直到进程 A 访问完共享内存，才会执行 V 操作，使得信号量恢复为 0，接着就会唤醒阻塞中的线程 B，使得进程 B 可以访问共享内存，最后完成共享内存的访问后，执行 V 操作，使信号量恢复到初始值 1。

可以发现，信号初始化为 1，就代表着是互斥信号量，它可以保证共享内存在任何时刻只有一个进程在访问，这就很好的保护了共享内存。

用信号量来实现多进程同步的方式，我们可以初始化信号量为 0。
如果进程 B 比进程 A 先执行了，那么执行到 P 操作时，由于信号量初始值为 0，故信号量会变为 -1，表示进程 A 还没生产数据，于是进程 B 就阻塞等待；
接着，当进程 A 生产完数据后，执行了 V 操作，就会使得信号量变为 0，于是就会唤醒阻塞在 P 操作的进程 B；
最后，进程 B 被唤醒后，意味着进程 A 已经生产了数据，于是进程 B 就可以正常读取数据了。

可以发现，信号初始化为 0，就代表着是同步信号量，它可以保证进程 A 应在进程 B 之前执行。

P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。

信号

进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

为了响应各种各样的事件，提供了几十种信号，kill -l 命令，查看所有的信号

信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令）
信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制 因为可以在任何时候发送信号给某一进程

用户进程对信号的处理方式

• 1.执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。
• 2.捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。
• 3.忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL（Cltr+C） 和 SEGSTOP（Cltr+Z），它们用于在任何时候中断或结束某一进程

Socket

Socket：跨网络与不同主机上的进程之间通信
int socket(int domain, int type, int protocal)
三个参数分别代表：(略)

针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型

• 针对 TCP 协议通信的 socket 编程模型****

• 服务端和客户端初始化 socket，得到文件描述符；

• 服务端调用 bind，将绑定在 IP 地址和端口;

• 服务端调用 listen，进行监听；

• 服务端调用 accept，等待客户端连接；

• 客户端调用 connect，向服务器端的地址和端口发起连接请求；

• 服务端 accept 返回用于传输的 socket 的文件描述符；

• 客户端调用 write 写入数据；服务端调用 read 读取数据；

• 客户端断开连接时，会调用 close，那么服务端 read 读取数据的时候，就会读取到了 EOF，待处理完数据后，服务端调用 close，表示连接关闭。

这里需要注意的是，服务端调用 accept 时，连接成功了会返回一个已完成连接的 socket，后续用来传输数据。

所以，监听的 socket 和真正用来传送数据的 socket，是「两个」 socket，一个叫作监听 socket，一个叫作已完成连接 socket。

成功连接建立之后，双方开始通过 read 和 write 函数来读写数据，就像往一个文件流里面写东西一样。

针对 UDP 协议通信的 socket 编程模型

UDP 是没有连接的，所以不需要三次握手，也就不需要像 TCP 调用 listen 和 connect，但是 UDP 的交互仍然需要 IP 地址和端口号，因此也需要 bind。

对于 UDP 来说，不需要要维护连接，那么也就没有所谓的发送方和接收方，甚至都不存在客户端和服务端的概念，只要有一个 socket 多台机器就可以任意通信，因此每一个 UDP 的 socket 都需要 bind。

另外，每次通信时，调用 sendto 和 recvfrom，都要传入目标主机的 IP 地址和端口。

针对本地进程间通信的 socket 编程模型（略））

总结

• 由于每个进程的用户空间都是独立的，不能相互访问，这时就需要借助内核空间来实现进程间通信，原因很简单，每个进程都是共享一个内核空间。

• Linux 内核提供了不少进程间通信的方式，其中最简单的方式就是管道，管道分为「匿名管道」和「命名管道」。

• 匿名管道顾名思义，它没有名字标识，匿名管道是特殊文件只存在于内存，没有存在于文件系统中，shell 命令中的「|」竖线就是匿名管道，通信的数据是无格式的流并且大小受限，通信的方式是单向的，数据只能在一个方向上流动，如果要双向通信，需要创建两个管道，再来匿名管道是只能用于存在父子关系的进程间通信，匿名管道的生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止而消失。

• 命名管道突破了匿名管道只能在亲缘关系进程间的通信限制，因为使用命名管道的前提，需要在文件系统创建一个类型为 p 的设备文件，那么毫无关系的进程就可以通过这个设备文件进行通信。另外，不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不支持 lseek 之类的文件定位操作。

• 消息队列克服了管道通信的数据是无格式的字节流的问题，消息队列实际上是保存在内核的「消息链表」，消息队列的消息体是可以用户自定义的数据类型，发送数据时，会被分成一个一个独立的消息体，当然接收数据时，也要与发送方发送的消息体的数据类型保持一致，这样才能保证读取的数据是正确的。消息队列通信的速度不是最及时的，毕竟每次数据的写入和读取都需要经过用户态与内核态之间的拷贝过程。

• 共享内存可以解决消息队列通信中用户态与内核态之间数据拷贝过程带来的开销，它直接分配一个共享空间，每个进程都可以直接访问，就像访问进程自己的空间一样快捷方便，不需要陷入内核态或者系统调用，大大提高了通信的速度，享有最快的进程间通信方式之名。但是便捷高效的共享内存通信，带来新的问题，多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱。

• 那么，就需要信号量来保护共享资源，以确保任何时刻只能有一个进程访问共享资源，这种方式就是互斥访问。信号量不仅可以实现访问的互斥性，还可以实现进程间的同步，信号量其实是一个计数器，表示的是资源个数，其值可以通过两个原子操作来控制，分别是 P 操作和 V 操作。

• 与信号量名字很相似的叫信号，它俩名字虽然相似，但功能一点儿都不一样。信号是异步通信机制，信号可以在应用进程和内核之间直接交互，内核也可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件，信号事件的来源主要有硬件来源（如键盘 Cltr+C ）和软件来源（如 kill 命令），一旦有信号发生，进程有三种方式响应信号 1. 执行默认操作、2. 捕捉信号、3. 忽略信号。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SIGSTOP，这是为了方便我们能在任何时候结束或停止某个进程。

• 前面说到的通信机制，都是工作于同一台主机，如果要与不同主机的进程间通信，那么就需要 Socket 通信了。Socket 实际上不仅用于不同的主机进程间通信，还可以用于本地主机进程间通信，可根据创建 Socket 的类型不同，分为三种常见的通信方式，一个是基于 TCP 协议的通信方式，一个是基于 UDP 协议的通信方式，一个是本地进程间通信方式。

• 以上，就是进程间通信的主要机制了。你可能会问了，那线程通信间的方式呢？

• 同个进程下的线程之间都是共享进程的资源，只要是共享变量都可以做到线程间通信，比如全局变量，所以对于线程间关注的不是通信方式，而是关注多线程竞争共享资源的问题，信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步：

• 互斥的方式，可保证任意时刻只有一个线程访问共享资源；

• 同步的方式，可保证线程 A 应在线程 B 之前执行；

多线程冲突了怎么办？

互斥的概念

竞争条件: 多线程相互竞争操作共享变量,在执行过程中发生了上下文切换,输出的结果存在不确定性（indeterminate）

临界区:访问共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行

互斥: 一个线程在临界区执行时，其他线程应该被阻止进入临界区

同步的概念

概念： 并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通信息称为进程/线程同步。

同步与互斥是两种不同的概念：

• 同步就好比：「操作 A 应在操作 B 之前执行」，「操作 C 必须在操作 A 和操作 B 都完成之后才能执行」等；
• 互斥就好比：「操作 A 和操作 B 不能在同一时刻执行」；

互斥与同步的实现和使用

实现进程/线程间正确的协作，主要的方法有两种

• 锁：加锁、解锁操作；
• 信号量：P、V 操作；

锁

概念：进入临界区的线程，必须先执行加锁操作。若加锁操作顺利通过，则线程可进入临界区；在完成对临界资源的访问后再执行解锁操作，以释放该临界资源。

锁的分类：「忙等待锁」和「无忙等待锁」

• 忙等待锁（自旋锁）： 当获取不到锁时，线程就会一直 while 循环，不做任何事情，所以就被称为「忙等待锁」，也被称为自旋锁（spin lock）

• 一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。在单处理器上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

• 保证自旋锁提供的指令：测试和置位CPU指令，

• 原子操作就是要么全部执行，要么都不执行，不能出现执行到一半的中间状态

无等待锁（不自旋锁）： 当没获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把 CPU 让给其他线程执行。

信号量（略）

生产者-消费者问题：

• 生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；
• 消费者从缓冲区取出数据处理；
• 任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区；

分析

• 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
• 缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。

需要三个信号量，分别是

• 互斥信号量 mutex：用于互斥访问缓冲区，初始化值为 1；
• 资源信号量 fullBuffers：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0（表明缓冲区一开始为空）；
• 资源信号量 emptyBuffers：用于生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为 n （缓冲区大小）；

如果消费者线程一开始执行 P(fullBuffers)，由于信号量 fullBuffers 初始值为 0，则此时 fullBuffers 的值从 0 变为 -1，说明缓冲区里没有数据，消费者只能等待。

接着，轮到生产者执行 P(emptyBuffers)，表示减少 1 个空槽，如果当前没有其他生产者线程在临界区执行代码，那么该生产者线程就可以把数据放到缓冲区，放完后，执行 V(fullBuffers) ，信号量 fullBuffers 从 -1 变成 0，表明有「消费者」线程正在阻塞等待数据，于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。

消费者线程被唤醒后，如果此时没有其他消费者线程在读数据，那么就可以直接进入临界区，从缓冲区读取数据。最后，离开临界区后，把空槽的个数 + 1

经典同步问题

「哲学家进餐问题」对于互斥访问有限的竞争问题（如 I/O 设备）一类的建模过程十分有用。例如线程池

哲学家就餐问题

情况一
五个人，只有五个叉子，每个之间放一个，一定需要两只叉子，吃完放回原处

分析： 五个哲学家各自拿左右边的叉子进餐吃完放下，如果同时拿左边的就死锁，都在等别人放下叉子

情况二
「方案一」会发生同时竞争左边叉子导致死锁的现象，那么我们就在拿叉子前，加个互斥信号量

问题思路： 只要有一个哲学家进入了「临界区」，也就是准备要拿叉子时，其他哲学家都不能动，只有这位哲学家用完叉子了，才能轮到下一个哲学家进餐。每次进餐只能有一位哲学家，而桌面上是有 5 把叉子，按道理是能可以有两个哲学家同时进餐的，所以从效率角度上，这不是最好的解决方案。

情况四
即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」，奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。

上面的程序，在 P 操作时，根据哲学家的编号不同，拿起左右两边叉子的顺序不同。另外，V 操作是不需要分支的，因为 V 操作是不会阻塞的。

情况四： 太复杂算了

读者-写者问题

数据库访问建立了一个模型
读者只会读取数据，不会修改数据，而写者即可以读也可以修改数据。
读者-写者的问题描述：

• 「读-读」允许：同一时刻，允许多个读者同时读
• 「读-写」互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
• 「写-写」互斥：没有其他写者时，写者才能写

怎么避免死锁？

两个线程为了保护两个不同的共享资源而使用了两个互斥锁，可能会造成两个线程都在等待对方释放锁，发生了死锁

必须满足以下四个条件

互斥条件：互斥条件是指多个线程不能同时使用同一个资源。
比如下图，如果线程 A 已经持有的资源，不能再同时被线程 B 持有，如果线程 B 请求获取线程 A 已经占用的资源，那线程 B 只能等待，直到线程 A 释放了资源。

持有并等待条件： 持有并等待条件是指，当线程 A 已经持有了资源 1，又想申请资源 2，而资源 2 已经被线程 C 持有了，所以线程 A 就会处于等待状态，但是线程 A 在等待资源 2 的同时并不会释放自己已经持有的资源

不可剥夺条件：不可剥夺条件是指，当线程已经持有了资源 ，在自己使用完之前不能被其他线程获取，线程 B 如果也想使用此资源，则只能在线程 A 使用完并释放后才能获取。

环路等待条件比如，线程 A 已经持有资源 2，而想请求资源 1， 线程 B 已经获取了资源 1，而想请求资源 2，这就形成资源请求等待的环形图。

避免死锁问题的发生：只需要破环其中一个条件就可以，最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法，来破环环路等待条件。

线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要一样，当线程 A 是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B 的时候，线程 B 同样也是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B。也就是说，线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源。

我们使用资源有序分配法的方式来修改前面发生死锁的代码，我们可以不改动线程 A 的代码。

我们先要清楚线程 A 获取资源的顺序，它是先获取互斥锁 A，然后获取互斥锁 B。

所以我们只需将线程 B 改成以相同顺序的获取资源，就可以打破死锁了。

调度

调度基础

调度程序：操作系统选择一个进程切换到运行状态占用 CPU运行

进程调度时机：

当进程从一个运行状态到另外一状态变化的时候，其实会触发一次调度
以下状态的变化都会触发操作系统的调度：

• 从就绪态 -> 运行态：当进程被创建时，会进入到就绪队列，操作系统会从就绪队列选择一个进程运行；
• 从运行态 -> 阻塞态：当进程发生 I/O 事件而阻塞时，操作系统必须选择另外一个进程运行；
• 从运行态 -> 结束态：当进程退出结束后，操作系统得从就绪队列选择另外一个进程运行；

根据硬件时钟提供某个频率的周期性中断的方式，把调度算法分为两类：

• 非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直到被阻塞，或者直到该进程退出，才会调用另外一个进程，也就是说不会理时钟中断这个事情。
• 抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程只运行某段时间，如果在该时段结束时，该进程仍然在运行时，则会把它挂起，接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理，需要在时间间隔的末端发生时钟中断，以便把 CPU 控制返回给调度程序进行调度，也就是常说的时间片机制

调度原则

• CPU 利用率：调度程序应确保 CPU 是始终匆忙的状态，这可提高 CPU 的利用率；（等待下载中请勿离开）
• 系统吞吐量：吞吐量表示的是单位时间内 CPU 完成进程的数量，长作业的进程会占用较长的 CPU 资源，因此会降低吞吐量，相反，短作业的进程会提升系统吞吐量；（拉屎一小时，撒尿两分钟）
• 周转时间：周转时间是进程运行+阻塞时间+等待时间的总和，一个进程的周转时间越小越好；（排队一小时，吃饭五分钟）
• 等待时间：这个等待时间不是阻塞状态的时间，而是进程处于就绪队列的时间，等待的时间越长，用户越不满意；（排队时间）
• 响应时间：用户提交请求到系统第一次产生响应所花费的时间，在交互式系统中，响应时间是衡量调度算法好坏的主要标准。（鼠标键盘）

说白了，这么多调度原则，目的就是要使得进程要「快」

进程调度算法

单核 CPU 系统中常见的调度算法

先来先服务调度算法
先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。

最短作业优先调度算法
优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。

使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

高响应比优先调度算法
每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行
一个进程要求服务的时间不可预知，高响应比优先调度算法是「理想型」的调度算法，现实中是实现不了的。

时间片轮转调度算法
每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行。

• 如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配给另外一个进程；
• 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换

缺点：如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换，降低了 CPU 效率；如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长。

最高优先级调度算法
从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法。
静态优先级和动态优先级

• 静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
• 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

非抢占式和抢占式

• 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
• 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列调度算法

「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；

• 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
• 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
• 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；
• 可以发现，对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业，如果在第一级队列处理不完，可以移入下次队列等待被执行，虽然等待的时间变长了，但是运行时间也会更长了，所以该算法很好的兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间。

内存页面置换算法

缺页异常：当 CPU 访问的页面不在物理内存时，便会产生一个缺页中断，请求操作系统将所缺页调入到物理内存。那它与一般中断的主要区别在于：

• 缺页中断在指令执行「期间」产生和处理中断信号，而一般中断在一条指令执行「完成」后检查和处理中断信号。
• 缺页中断返回到该指令的开始重新执行「该指令」，而一般中断返回回到该指令的「下一个指令」执行。
  
• 在 CPU 里访问一条 Load M 指令，然后 CPU 会去找 M 所对应的页表项。
• 如果该页表项的状态位是「有效的」，那 CPU 就可以直接去访问物理内存了，如果状态位是「无效的」，则 CPU 则会发送缺页中断请求。
• 操作系统收到了缺页中断，则会执行缺页中断处理函数，先会查找该页面在磁盘中的页面的位置。
• 找到磁盘中对应的页面后，需要把该页面换入到物理内存中，但是在换入前，需要在物理内存中找空闲页，如果找到空闲页，就把页面换入到物理内存中。
• 页面从磁盘换入到物理内存完成后，则把页表项中的状态位修改为「有效的」。
• 最后，CPU 重新执行导致缺页异常的指令。

找不到空闲页的话，就说明此时内存已满了，这时候，就需要「页面置换算法」选择一个物理页，如果该物理页有被修改过（脏页），则把它换出到磁盘，然后把该被置换出去的页表项的状态改成「无效的」，最后把正在访问的页面装入到这个物理页中。

页表项通常有如下图的字段：

• 状态位：用于表示该页是否有效，也就是说是否在物理内存中，供程序访问时参考。
• 访问字段：用于记录该页在一段时间被访问的次数，供页面置换算法选择出页面时参考。
• 修改位：表示该页在调入内存后是否有被修改过，由于内存中的每一页都在磁盘上保留一份副本，因此，如果没有修改，在置换该页时就不需要将该页写回到磁盘上，以减少系统的开销；如果已经被修改，则将该页重写到磁盘上，以保证磁盘中所保留的始终是最新的副本。
• 硬盘地址：用于指出该页在硬盘上的地址，通常是物理块号，供调入该页时使用。

虚拟内存的管理整个流程
页面置换算法:当出现缺页异常，需调入新页面而内存已满时，选择被置换的物理页面，也就是说选择一个物理页面换出到磁盘，然后把需要访问的页面换入到物理页。算法目标则是，尽可能减少页面的换入换出的次数

最佳页面置换算法
置换在「未来」最长时间不访问的页面。计算内存中每个逻辑页面的「下一次」访问时间，然后比较，选择未来最长时间不访问的页面。
缺点：因为程序访问页面时是动态的，我们是无法预知每个页面在「下一次」访问前的等待时间。

先进先出置换算法
选择在内存驻留时间很长的页面进行中置换

最近最久未使用（LRU）

• 发生缺页时，选择最长时间没有被访问的页面进行置换,通过「历史」的使用情况来推测要淘汰的页面
• 效率不错，缺点：需要在内存中维护一个所有页面的链表，最近最多使用的页面在表头，最近最少使用的页面在表尾
• 每次访问内存时都必须要更新「整个链表」。在链表中找到一个页面，删除它，然后把它移动到表头是一个非常费时的操作。

时钟页面置换算法

• 所有的页面都保存在一个类似钟面的「环形链表」中，一个表针指向最老的页面
• 当发生缺页中断时，算法首先检查表针指向的页面：
• 如果它的访问位位是 0 就淘汰该页面，并把新的页面插入这个位置，然后把表针前移一个位置；
• 如果访问位是 1 就清除访问位，并把表针前移一个位置，重复这个过程直到找到了一个访问位为 0 的页面为止；
  

最不常用算法

当发生缺页中断时，选择「访问次数」最少的那个页面，并将其淘汰。
对每个页面设置一个「访问计数器」，每当一个页面被访问时，该页面的访问计数器就累加 1。在发生缺页中断时，淘汰计数器值最小的那个页面。
如果要对这个计数器查找哪个页面访问次数最小，查找链表本身，如果链表长度很大，是非常耗时的，效率不高。

网络系统

什么是零拷贝

磁盘读写速度别内存慢很多，优化磁盘的技术：零拷贝、直接 I/O、异步 I/O 提高系统的吞吐量，操作系统内核中的磁盘高速缓存区，可以有效的减少磁盘的访问次数。

以「文件传输」作为切入点，来分析 I/O 工作方式，以及如何优化传输文件的性能

为什么要有 DMA 技术?
I/O 的过程是这样的：

• CPU 发出对应的指令给磁盘控制器，然后返回；
• 磁盘控制器收到指令后，于是就开始准备数据，会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中，然后产生一个中断；
• CPU 收到中断信号后，停下手头的工作，接着把磁盘控制器的缓冲区的数据一次一个字节地读进自己的寄存器，然后再把寄存器里的数据写入到内存，而在数据传输的期间 CPU 是无法执行其他任务的。
  CPU 亲自参与搬运数据的过程，而且这个过程，CPU 是不能做其他事情的，如果数据过大就太繁忙了

DMA 技术：直接内存访问，在进行 I/O 设备和内存的数据传输的时候，数据搬运的工作全部交给 DMA 控制器，而 CPU 不再参与任何与数据搬运相关的事情，这样 CPU 就可以去处理别的事务。

DMA控制器流程：

• 用户进程调用 read 方法，向操作系统发出 I/O 请求，请求读取数据到自己的内存缓冲区中，进程进入阻塞状态；
• 操作系统收到请求后，进一步将 I/O 请求发送 DMA，然后让 CPU 执行其他任务；
• DMA 进一步将 I/O 请求发送给磁盘；
• 磁盘收到 DMA 的 I/O 请求，把数据从磁盘读取到磁盘控制器的缓冲区中，当磁盘控制器的缓冲区被读满后，向 DMA 发起中断信号，告知自己缓冲区已满；
• DMA 收到磁盘的信号，将磁盘控制器缓冲区中的数据拷贝到内核缓冲区中，此时不占用 CPU，CPU 可以执行其他任务；
• 当 DMA 读取了足够多的数据，就会发送中断信号给 CPU；
• CPU 收到 DMA 的信号，知道数据已经准备好，于是将数据从内核拷贝到用户空间，系统调用返回；
• 可以看到， CPU 不再参与「将数据从磁盘控制器缓冲区搬运到内核空间」的工作，这部分工作全程由 DMA 完成。但是 CPU 在这个过程中也是必不可少的，因为传输什么数据，从哪里传输到哪里，都需要 CPU 来告诉 DMA 控制器。

早期 DMA 只存在在主板上，如今由于 I/O 设备越来越多，数据传输的需求也不尽相同，所以每个 I/O 设备里面都有自己的 DMA 控制器

传统的文件传输有多糟糕？

如果服务端要提供文件传输的功能，我们能想到的最简单的方式是：将磁盘上的文件读取出来，然后通过网络协议发送给客户端。

传统 I/O 的工作方式是，数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。

代码通常如下，一般会需要两个系统调用：

read(file, tmp_buf, len);
write(socket, tmp_buf, len);

首先，期间共发生了 4 次用户态与内核态的上下文切换，因为发生了两次系统调用，一次是 read() ，一次是 write()，每次系统调用都得先从用户态切换到内核态，等内核完成任务后，再从内核态切换回用户态。

上下文切换到成本并不小，一次切换需要耗时几十纳秒到几微秒，虽然时间看上去很短，但是在高并发的场景下，这类时间容易被累积和放大，从而影响系统的性能。

其次，还发生了** 4 次数据拷贝**，其中两次是 DMA 的拷贝，另外两次则是通过 CPU 拷贝的，下面说一下这个过程：

• 第一次拷贝，把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里，这个拷贝的过程是通过 DMA 搬运的。
• 第二次拷贝，把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是我们应用程序就可以使用这部分数据了，这个拷贝到过程是由 CPU 完成的。
• 第三次拷贝，把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据，再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里，这个过程依然还是由 CPU 搬运的。
• 第四次拷贝，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程又是由 DMA 搬运的。
  我们回过头看这个文件传输的过程，我们只是搬运一份数据，结果却搬运了 4 次，过多的数据拷贝无疑会消耗 CPU 资源，大大降低了系统性能。

这种简单又传统的文件传输方式，存在冗余的上文切换和数据拷贝，在高并发系统里是非常糟糕的，多了很多不必要的开销，会严重影响系统性能。

所以，要想提高文件传输的性能，就需要减少 「用户态与内核态的上下文切换 和 「内存拷贝」的次数

如何优化文件传输的性能？

，如何减少「用户态与内核态的上下文切换」的次数呢？

读取磁盘数据的时候，之所以要发生上下文切换，这是因为用户空间没有权限操作磁盘或网卡，内核的权限最高，这些操作设备的过程都需要交由操作系统内核来完成，所以一般要通过内核去完成某些任务的时候，就需要使用操作系统提供的系统调用函数。

而一次系统调用必然会发生 2 次上下文切换：首先从用户态切换到内核态，当内核执行完任务后，再切换回用户态交由进程代码执行。

所以，要想减少上下文切换到次数，就要减少系统调用的次数。

如何减少「数据拷贝」的次数？

在前面我们知道了，传统的文件传输方式会历经 4 次数据拷贝，而且这里面，「从内核的读缓冲区拷贝到用户的缓冲区里，再从用户的缓冲区里拷贝到 socket 的缓冲区里」，这个过程是没有必要的。

因为文件传输的应用场景中，在用户空间我们并不会对数据「再加工」，所以数据实际上可以不用搬运到用户空间，因此用户的缓冲区是没有必要存在的。

如何实现零拷贝？

零拷贝技术实现的方式通常有 2 种：

• mmap + write
• sendfile
  减少「上下文切换」和「数据拷贝」的次数。

mmap + write
在前面我们知道，read() 系统调用的过程中会把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里，于是为了减少这一步开销，我们可以用 mmap() 替换 read() 系统调用函数。

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);
 

mmap() 系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据「映射」到用户空间，这样，操作系统内核与用户空间就不需要再进行任何的数据拷贝操作。

具体过程如下：

• 应用进程调用了 mmap() 后，DMA 会把磁盘的数据拷贝到内核的缓冲区里。接着，应用进程跟操作系统内核「共享」这个缓冲区；
• 应用进程再调用 write()，操作系统直接将内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区中，这一切都发生在内核态，由 CPU 来搬运数据；
• 最后，把内核的 socket 缓冲区里的数据，拷贝到网卡的缓冲区里，这个过程是由 DMA 搬运的。
• 我们可以得知，通过使用 mmap() 来代替 read()， 可以减少一次数据拷贝的过程。

但这还不是最理想的零拷贝，因为仍然需要通过 CPU 把内核缓冲区的数据拷贝到 socket 缓冲区里，而且仍然需要 4 次上下文切换，因为系统调用还是 2 次。

sendfile
在 Linux 内核版本 2.1 中，提供了一个专门发送文件的系统调用函数 sendfile()，函数形式如下：

#include <sys/socket.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
 

它的前两个参数分别是目的端和源端的文件描述符，后面两个参数是源端的偏移量和复制数据的长度，返回值是实际复制数据的长度。

首先，它可以替代前面的 read() 和 write() 这两个系统调用，这样就可以减少一次系统调用，也就减少了 2 次上下文切换的开销。

其次，该系统调用，可以直接把内核缓冲区里的数据拷贝到 socket 缓冲区里，不再拷贝到用户态，这样就只有 2 次上下文切换，和 3 次数据拷贝。如下图：

零拷贝（Zero-copy）技术:

• 因为我们没有在内存层面去拷贝数据，也就是说全程没有通过 CPU 来搬运数据，所有的数据都是通过 DMA 来进行传输的。。
• 零拷贝技术的文件传输方式相比传统文件传输的方式，减少了 2 次上下文切换和数据拷贝次数，只需要 2 次上下文切换和数据拷贝次数，就可以完成文件的传输，而且 2 次的数据拷贝过程，都不需要通过 CPU，2 次都是由 DMA 来搬运。

所以，总体来看，零拷贝技术可以把文件传输的性能提高至少一倍以上。

PageCache 有什么作用？

文件传输过程，其中第一步都是先需要先把磁盘文件数据拷贝「内核缓冲区」里，这个「内核缓冲区」实际上是磁盘高速缓存（PageCache）。

通过 DMA 把磁盘里的数据搬运到内存里，这样就可以用读内存替换读磁盘,内存空间远比磁盘要小，内存注定只能拷贝磁盘里的一小部分数据,选择哪些磁盘数据拷贝到内存?
刚被访问的数据在短时间内再次被访问的概率很高，于是我们可以用 PageCache 来缓存最近被访问的数据，当空间不足时淘汰最久未被访问的缓存。 读磁盘数据的时候，优先在 PageCache 找，如果数据存在则可以直接返回；如果没有，则从磁盘中读取，然后缓存 PageCache 中。

PageCache 的优点主要是两个：

• 缓存最近被访问的数据；
• 预读功能（操作系统移动磁盘磁头的功能）

如果文件太大
有很多 GB 级别文件需要传输，每当用户访问这些大文件的时候，内核就会把它们载入 PageCache 中，于是 PageCache 空间很快被这些大文件占满。

另外，由于文件太大，可能某些部分的文件数据被再次访问的概率比较低，这样就会带来 2 个问题：

• PageCache 由于长时间被大文件占据，其他「热点」的小文件可能就无法充分使用到 PageCache，于是这样磁盘读写的性能就会下降了；
• PageCache 中的大文件数据，由于没有享受到缓存带来的好处，但却耗费 DMA 多拷贝到 PageCache 一次；
  所以，针对大文件的传输，不应该使用 PageCache，也就是说不应该使用零拷贝技术，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，这样在高并发的环境下，会带来严重的性能问题。

大文件传输用什么方式实现？

当调用 read 方法读取文件时，进程实际上会阻塞在 read 方法调用，因为要等待磁盘数据的返回，如下图：

• 当调用 read 方法时，会阻塞着，此时内核会向磁盘发起 I/O 请求，磁盘收到请求后，便会寻址，当磁盘数据准备好后，就会向内核发起 I/O 中断，告知内核磁盘数据已经准备好；
• 内核收到 I/O 中断后，就将数据从磁盘控制器缓冲区拷贝到 PageCache 里；
• 最后，内核再把 PageCache 中的数据拷贝到用户缓冲区，于是 read 调用就正常返回了。

对于阻塞的问题，可以用异步 I/O 来解决
它把读操作分为两部分：

• 前半部分，内核向磁盘发起读请求，但是可以不等待数据就位就可以返回，于是进程此时可以处理其他任务；

• 后半部分，当内核将磁盘中的数据拷贝到进程缓冲区后，进程将接收到内核的通知，再去处理数据；

• 而且，我们可以发现，异步 I/O 并没有涉及到 PageCache，所以使用异步 I/O 就意味着要绕开 PageCache。

• 绕开 PageCache 的 I/O 叫直接 I/O，使用 PageCache 的 I/O 则叫缓存 I/O。通常，对于磁盘，异步 I/O 只支持直接 I/O。

• 前面也提到，大文件的传输不应该使用 PageCache，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache。

于是，在高并发的场景下，针对大文件的传输的方式，应该使用「异步 I/O + 直接 I/O」来替代零拷贝技术。

直接 I/O 应用场景常见的两种：

• 应用程序已经实现了磁盘数据的缓存，那么可以不需要 PageCache 再次缓存，减少额外的性能损耗。在 MySQL 数据库中，可以通过参数设置开启直接 I/O，默认是不开启；
• 传输大文件的时候，由于大文件难以命中 PageCache 缓存，而且会占满 PageCache 导致「热点」文件无法充分利用缓存，从而增大了性能开销，因此，这时应该使用直接 I/O。

另外，由于直接 I/O 绕过了 PageCache，就无法享受内核的这两点的优化：

• 内核的 I/O 调度算法会缓存尽可能多的 I/O 请求在 PageCache 中，最后「合并」成一个更大的 I/O 请求再发给磁盘，这样做是为了减少磁盘的寻址操作；
• 内核也会「预读」后续的 I/O 请求放在 PageCache 中，一样是为了减少对磁盘的操作；

于是，传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」了，就可以无阻塞地读取文件了。

所以，传输文件的时候，我们要根据文件的大小来使用不同的方式：

• 传输大文件的时候，使用「异步 I/O + 直接 I/O」；
• 传输小文件的时候，则使用「零拷贝技术」；

总结：早期 I/O 操作，内存与磁盘的数据传输的工作都是由 CPU 完成的，而此时 CPU 不能执行其他任务，会特别浪费 CPU 资源。

• 于是，为了解决这一问题，DMA 技术就出现了，每个 I/O 设备都有自己的 DMA 控制器，通过这个 DMA 控制器，CPU 只需要告诉 DMA 控制器，我们要传输什么数据，从哪里来，到哪里去，就可以放心离开了。后续的实际数据传输工作，都会由 DMA 控制器来完成，CPU 不需要参与数据传输的工作。

• 传统 IO 的工作方式，从硬盘读取数据，然后再通过网卡向外发送，我们需要进行 4 上下文切换，和 4 次数据拷贝，其中 2 次数据拷贝发生在内存里的缓冲区和对应的硬件设备之间，这个是由 DMA 完成，另外 2 次则发生在内核态和用户态之间，这个数据搬移工作是由 CPU 完成的。

• 为了提高文件传输的性能，于是就出现了零拷贝技术，它通过一次系统调用（sendfile 方法）合并了磁盘读取与网络发送两个操作，降低了上下文切换次数。另外，拷贝数据都是发生在内核中的，天然就降低了数据拷贝的次数。

• Kafka 和 Nginx 都有实现零拷贝技术，这将大大提高文件传输的性能。

• 零拷贝技术是基于 PageCache 的，PageCache 会缓存最近访问的数据，提升了访问缓存数据的性能，同时，为了解决机械硬盘寻址慢的问题，它还协助 I/O 调度算法实现了 IO 合并与预读，这也是顺序读比随机读性能好的原因。这些优势，进一步提升了零拷贝的性能。

• 需要注意的是，零拷贝技术是不允许进程对文件内容作进一步的加工的，比如压缩数据再发送。

• 另外，当传输大文件时，不能使用零拷贝，因为可能由于 PageCache 被大文件占据，而导致「热点」小文件无法利用到 PageCache，并且大文件的缓存命中率不高，这时就需要使用「异步 IO + 直接 IO 」的方式。

• 在 Nginx 里，可以通过配置，设定一个文件大小阈值，针对大文件使用异步 IO 和直接 IO，而对小文件使用零拷贝。

I/O 多路复用：select/poll/epoll

进程间通信，客户端和服务器能在网络中通信。跨主机间通信
服务器的程序要先跑起来，然后等待客户端的连接和数据

最基础的 TCP 的 Socket 编程，它是阻塞 I/O 模型，基本上只能一对一通信，那为了服务更多的客户端，我们需要改进网络 I/O 模型。

比较传统的方式是使用多进程/线程模型，每来一个客户端连接，就分配一个进程/线程，然后后续的读写都在对应的进程/线程，这种方式处理 100 个客户端没问题，但是当客户端增大到 10000 个时，10000 个进程/线程的调度、上下文切换以及它们占用的内存，都会成为瓶颈。

为了解决上面这个问题，就出现了 I/O 的多路复用，可以只在一个进程里处理多个文件的 I/O，Linux 下有三种提供 I/O 多路复用的 API，分别是：select、poll、epoll。

select 和 poll 并没有本质区别，它们内部都是使用「线性结构」来存储进程关注的 Socket 集合。

在使用的时候，首先需要把关注的 Socket 集合通过 select/poll 系统调用从用户态拷贝到内核态，然后由内核检测事件，当有网络事件产生时，内核需要遍历进程关注 Socket 集合，找到对应的 Socket，并设置其状态为可读/可写，然后把整个 Socket 集合从内核态拷贝到用户态，用户态还要继续遍历整个 Socket 集合找到可读/可写的 Socket，然后对其处理。

很明显发现，select 和 poll 的缺陷在于，当客户端越多，也就是 Socket 集合越大，Socket 集合的遍历和拷贝会带来很大的开销，因此也很难应对 C10K。

epoll 是解决 C10K 问题的利器，通过两个方面解决了 select/poll 的问题。

• epoll 在内核里使用「红黑树」来关注进程所有待检测的 Socket，红黑树是个高效的数据结构，增删改一般时间复杂度是 O(logn)，通过对这棵黑红树的管理，不需要像 select/poll 在每次操作时都传入整个 Socket 集合，减少了内核和用户空间大量的数据拷贝和内存分配。
• epoll 使用事件驱动的机制，内核里维护了一个「链表」来记录就绪事件，只将有事件发生的 Socket 集合传递给应用程序，不需要像 select/poll 那样轮询扫描整个集合（包含有和无事件的 Socket ），大大提高了检测的效率。

而且，epoll 支持边缘触发和水平触发的方式，而 select/poll 只支持水平触发，一般而言，边缘触发的方式会比水平触发的效率高。