１　馮諾伊曼體系

１．１　馮諾伊曼體系簡介

現(xiàn)代計算機(jī)之父馮諾伊曼最先提出程序存儲的思想，并成功將其運(yùn)用在計算機(jī)的設(shè)計之中，該思想約定了用二進(jìn)制進(jìn)行計算和存儲，還定義計算機(jī)基本結(jié)構(gòu)為　５　個部分，分別是中央處理器（ＣＰＵ）、內(nèi)存、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、總線。

存儲器：代碼跟數(shù)據(jù)在ＲＡＭ跟ＲＯＭ中是線性存儲，　數(shù)據(jù)存儲的單位是一個二進(jìn)制位。最小的存儲單位是字節(jié)。

總線：總線是用于　ＣＰＵ　和內(nèi)存以及其他設(shè)備之間的通信，總線主要有三種：

地址總線：用于指定　ＣＰＵ　將要操作的內(nèi)存地址。

數(shù)據(jù)總線：用于讀寫內(nèi)存的數(shù)據(jù)。

控制總線：用于發(fā)送和接收信號，比如中斷、設(shè)備復(fù)位等信號，ＣＰＵ　收到信號后響應(yīng)，這時也需要控制總線。

輸入／輸出設(shè)備：輸入設(shè)備向計算機(jī)輸入數(shù)據(jù)，計算機(jī)經(jīng)過計算后，把數(shù)據(jù)輸出給輸出設(shè)備。比如鍵盤按鍵時需要和　ＣＰＵ　進(jìn)行交互，這時就需要用到控制總線。

ＣＰＵ：中央處理器，類比人腦，作為計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。ＣＰＵ用寄存器存儲計算時所需數(shù)據(jù)，寄存器一般有三種：

通用寄存器：用來存放需要進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)據(jù)，比如需進(jìn)行加法運(yùn)算的兩個數(shù)據(jù)。

程序計數(shù)器：用來存儲　ＣＰＵ　要執(zhí)行下一條指令所在的內(nèi)存地址。

指令寄存器：用來存放程序計數(shù)器指向的指令本身。

在馮諾伊曼體系下電腦指令執(zhí)行的過程：

ＣＰＵ讀取程序計數(shù)器獲得指令內(nèi)存地址，ＣＰＵ控制單元操作地址總線從內(nèi)存地址拿到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線到達(dá)ＣＰＵ被存入指令寄存器。

ＣＰＵ分析指令寄存器中的指令，如果是計算類型的指令交給邏輯運(yùn)算單元，如果是存儲類型的指令交給控制單元執(zhí)行。

ＣＰＵ　執(zhí)行完指令后程序計數(shù)器的值通過自增指向下個指令，比如３２位ＣＰＵ會自增４。

自增后開始順序執(zhí)行下一條指令，不斷循環(huán)執(zhí)行直到程序結(jié)束。

ＣＰＵ位寬：３２位ＣＰＵ一次可操作計算４個字節(jié)，６４位ＣＰＵ一次可操作計算８個字節(jié)，這個是硬件級別的。平常我們說的３２位或６４位操作系統(tǒng)指的是軟件級別的，指的是程序中指令多少位。

線路位寬：ＣＰＵ操作指令數(shù)據(jù)通過高低電壓變化進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸時候可以串行傳輸，也可以并行傳輸，多少個并行等于多少個位寬。

１．２　ＣＰＵ　簡介

Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　中央處理器，作為計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。

ＣＰＵ

ＣＰＵ核心：一般一個ＣＰＵ會有多個ＣＰＵ核心，平常說的多核是指在一枚處理器中集成兩個或多個完整的計算引擎。核跟ＣＰＵ的關(guān)系是：核屬于ＣＰＵ的一部分。

寄存器：最靠近ＣＰＵ對存儲單元，３２位ＣＰＵ寄存器可存儲４字節(jié)，６４位寄存器可存儲８字節(jié)。寄存器訪問速度一般是半個ＣＰＵ時鐘周期，屬于納秒級別，

Ｌ１緩存：每個ＣＰＵ核心都有，用來緩存數(shù)據(jù)跟指令，訪問空間大小一般在３２～２５６ＫＢ，訪問速度一般是２～４個ＣＰＵ時鐘周期。

ｃａｔ　／ｓｙｓ／ｄｅｖｉｃｅｓ／ｓｙｓｔｅｍ／ｃｐｕ／ｃｐｕ０／ｃａｃｈｅ／ｉｎｄｅｘ０／ｓｉｚｅ　＃　Ｌ１　數(shù)據(jù)緩存

ｃａｔ　／ｓｙｓ／ｄｅｖｉｃｅｓ／ｓｙｓｔｅｍ／ｃｐｕ／ｃｐｕ０／ｃａｃｈｅ／ｉｎｄｅｘ１／ｓｉｚｅ　＃　Ｌ１　指令緩存

Ｌ２緩存：每個ＣＰＵ核心都有，訪問空間大小在１２８ＫＢ～２ＭＢ，訪問速度一般是１０～２０個ＣＰＵ時鐘周期。

ｃａｔ　／ｓｙｓ／ｄｅｖｉｃｅｓ／ｓｙｓｔｅｍ／ｃｐｕ／ｃｐｕ０／ｃａｃｈｅ／ｉｎｄｅｘ２／ｓｉｚｅ　＃　Ｌ２　緩存容量大小

Ｌ３緩存：多個ＣＰＵ核心共用，訪問空間大小在２ＭＢ～６４ＭＢ，訪問速度一般是２０～６０個ＣＰＵ時鐘周期。

ｃａｔ　／ｓｙｓ／ｄｅｖｉｃｅｓ／ｓｙｓｔｅｍ／ｃｐｕ／ｃｐｕ０／ｃａｃｈｅ／ｉｎｄｅｘ３／ｓｉｚｅ　＃　Ｌ３　緩存容量大小

內(nèi)存：多個ＣＰＵ共用，現(xiàn)在一般是４Ｇ～５１２Ｇ，訪問速度一般是２００～３００個ＣＰＵ時鐘周期。

固體硬盤ＳＳＤ：現(xiàn)在臺式機(jī)主流都會配備，上述的寄存器、緩存、內(nèi)存都是斷電數(shù)據(jù)立馬丟失的，而ＳＳＤ里不會丟失，大小一般是１２８Ｇ～１Ｔ，比內(nèi)存慢１０～１０００倍。

機(jī)械盤ＨＤＤ：很早以前流行的硬盤了，容量可在５１２Ｇ～８Ｔ不等，訪問速度比內(nèi)存慢１０Ｗ倍不等。

訪問數(shù)據(jù)順序：ＣＰＵ在拿數(shù)據(jù)處理的時候幾乎也是按照上面說得流程來操縱的，只有上面一層找不到才會找下一層。

Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　：　　ＣＰＵ讀取數(shù)據(jù)時會按照　Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　方式把數(shù)據(jù)加載到緩存中，每個Ｃａｃｈｅｌｉｎｅ　＝　６４ＫＢ，因為Ｌ１、Ｌ２是每個核獨(dú)有到可能會觸發(fā)偽共享，就是　所以可能會將數(shù)據(jù)劃分到不同到ＣａｃｈｅＬｉｎｅ中來避免偽共享，比如在ＪＤＫ８　新增加的　ＬｏｎｇＡｄｄｅｒ　就涉及到此知識點(diǎn)。

偽共享：緩存系統(tǒng)中是以緩存行（ｃａｃｈｅ　ｌｉｎｅ）為單位存儲的，當(dāng)多線程修改互相獨(dú)立的變量時，如果這些變量共享同一個緩存行，就會無意中影響彼此的性能，這就是偽共享。

ＪＭＭ：　數(shù)據(jù)經(jīng)過種種分層會導(dǎo)致訪問速度在不斷提升，同時也帶來了各種問題，多個ＣＰＵ同時操作相同數(shù)據(jù)可能會造成各種ＢＵ個，需要加鎖，這里在ＪＵＣ并發(fā)已詳細(xì)探討過。

１．３　ＣＰＵ　訪問方式

ＣＰＵ訪問方式

內(nèi)存數(shù)據(jù)映射到ＣＰＵ　Ｃａｃｈｅ　時通過公式Ｂｌｏｃｋ　Ｎ　％　ＣａｃｈｅＬｉｎｅＭａｘ決定內(nèi)存Ｂｌｏｃｋ數(shù)據(jù)放到那個ＣＰＵ　Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　里。ＣＰＵ　Ｃａｃｈｅ　主要有４部分組成。

Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　Ｉｎｄｅｘ　：ＣＰＵ緩存讀取數(shù)據(jù)時不是按照字節(jié)來讀取的，而是按照ＣａｃｈｅＬｉｎｅ方式存儲跟讀取數(shù)據(jù)的。

Ｖａｌｉｄ　Ｂｉｔ　：　有效位標(biāo)志符，值為０時表示無論　ＣＰＵ　Ｌｉｎｅ　中是否有數(shù)據(jù)，ＣＰＵ　都會直接訪問內(nèi)存，重新加載數(shù)據(jù)。

Ｔａｇ：組標(biāo)記，用來標(biāo)記內(nèi)存中不同ＢＬｏｃｋ映射到相同ＣａｃｈｅＬｉｎｅ，用Ｔａｇ來區(qū)分不同的內(nèi)存Ｂｌｏｃｋ。

Ｄａｔａ：真實(shí)到內(nèi)存數(shù)據(jù)信息。

ＣＰＵ真實(shí)訪問內(nèi)存數(shù)據(jù)時只需要指定三個部分即可。

Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　Ｉｎｄｅｘ　：要訪問到Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ　位置。

Ｔａｇ：表示用那個數(shù)據(jù)塊。

Ｏｆｆｓｅｔ：ＣＰＵ從ＣＰＵ　Ｃａｃｈｅ　讀取數(shù)據(jù)時不是直接讀取Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ整個數(shù)據(jù)塊，而是讀取ＣＰＵ所需的數(shù)據(jù)片段，稱為Ｗｏｒｄ。如何找到Ｗｏｒｄ就需要個偏移量Ｏｆｆｓｅｔ。

１．４　ＣＰＵ　訪問速度

訪問耗時對比

如上圖所示，ＣＰＵ訪問速度是逐步變慢，所以ＣＰＵ訪問數(shù)據(jù)時需盡量在距離ＣＰＵ近的高速緩存區(qū)訪問，根據(jù)摩爾定律ＣＰＵ訪問速度每１８個月就會翻倍，而內(nèi)存的訪問每１８個月也就增長１０％　左右，導(dǎo)致的結(jié)果就是ＣＰＵ跟內(nèi)存訪問性能差距逐步變大，那如何盡可能提高ＣＰＵ緩存命中率呢？

１．　數(shù)據(jù)緩存：遍歷數(shù)據(jù)時候按照內(nèi)存布局順序訪問，因為ＣＰＵ　Ｃａｃｈｅ是根據(jù)Ｃａｃｈｅ　Ｌｉｎｅ批量操作數(shù)據(jù)的，所以你順序讀取數(shù)據(jù)會提速，道理跟磁盤順序?qū)懸粯印?/p>

指令緩存：盡可能的提供有規(guī)律的條件分支語句，讓　ＣＰＵ　的分支預(yù)測器發(fā)揮作用，進(jìn)一步提高執(zhí)行的效率，因為ＣＰＵ是自帶分支預(yù)測器，自動提前將可能需要的指令放到指令緩存區(qū)。

線程綁定到ＣＰＵ：一個任務(wù)Ａ在前一個時間片用ＣＰＵ核心１　運(yùn)行，后一個時間片用ＣＰＵ核心２　運(yùn)行，這樣緩存Ｌ１、Ｌ２就浪費(fèi)了。因此操作系統(tǒng)提供了將進(jìn)程或者線程綁定到某一顆　ＣＰＵ　上運(yùn)行的能力。如　Ｌｉｎｕｘ　上提供了　ｓｃｈｅｄ＿ｓｅｔａｆｆｉｎｉｔｙ　方法實(shí)現(xiàn)這一功能，其他操作系統(tǒng)也有類似功能的　ＡＰＩ　可用。當(dāng)多線程同時執(zhí)行密集計算，且　ＣＰＵ　緩存命中率很高時，如果將每個線程分別綁定在不同的　ＣＰＵ　核心上，性能便會獲得非常可觀的提升。

１．５　　操作系統(tǒng)

計算機(jī)結(jié)構(gòu)

有了馮諾伊曼計算機(jī)體系后，電腦想要為用戶提供便捷的服務(wù)還需要安裝個操作系統(tǒng)Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，操作系統(tǒng)是覆蓋在硬件上的一層特殊軟件，它管理計算機(jī)的硬件和軟件資源，為其他應(yīng)用程序提供大量服務(wù)。可以理解為操作系統(tǒng)是日常應(yīng)用程序跟硬件之間的接口。日常你經(jīng)常在用Ｗｉｎｄｏｗｓ／Ｌｉｎｕｘ　系統(tǒng)，操作系統(tǒng)給我們提供了超級大的便利，但是你了解操作系統(tǒng)么？操作系統(tǒng)是如何進(jìn)行內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件管理、輸入輸出管理的呢？

２　內(nèi)存管理

你的電腦是３２位操作系統(tǒng)，那可支持的最大內(nèi)存就是４Ｇ，你有沒有好奇為什么可以同時運(yùn)行２個以上的２Ｇ內(nèi)存的程序。應(yīng)用程序不是直接使用的物理地址，操作系統(tǒng)為每個運(yùn)行的進(jìn)程分配了一套虛擬地址，每個進(jìn)程都有自己的虛擬內(nèi)存地址，進(jìn)程是無法直接進(jìn)行物理內(nèi)存地址的訪問的。至于虛擬地址跟物理地址的映射，進(jìn)程是感知不到的！操作系統(tǒng)自身會提供一套機(jī)制將不同進(jìn)程的虛擬地址和不同內(nèi)存的物理地址進(jìn)行映射。

虛擬內(nèi)存

２．１　　ＭＭＵ

Ｍｅｍｏｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ　內(nèi)存管理單元是一種負(fù)責(zé)處理ＣＰＵ內(nèi)存訪問請求的計算機(jī)硬件。它的功能包括虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換、內(nèi)存保護(hù)、中央處理器高速緩存的控制。現(xiàn)代　ＣＰＵ　基本上都選擇了使用　ＭＭＵ。

當(dāng)進(jìn)程持有虛擬內(nèi)存地址的時候，ＣＰＵ執(zhí)行該進(jìn)程時會操作虛擬內(nèi)存，而ＭＭＵ會自動的將虛擬內(nèi)存的操作映射到物理內(nèi)存上。

ＭＭＵ

這里提一下，Ｊａｖａ操作的時候你看到的地址是ＪＶＭ地址，不是真正的物理地址。

２．２　　內(nèi)存管理方式

操作系統(tǒng)主要采用內(nèi)存分段和內(nèi)存分頁來管理虛擬地址與物理地址之間的關(guān)系，其中分段是很早前的方法了，現(xiàn)在大部分用的是分頁，不過分頁也不是完全的分頁，是在分段的基礎(chǔ)上再分頁。

２．２．１　內(nèi)存分段

ＪＶＭ內(nèi)存模型

我們以上圖的ＪＶＭ內(nèi)存模型舉例，程序員會認(rèn)為我們的代碼是由代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段、堆段組成。不同的段是有不同的屬性的，用戶并不關(guān)心這些元素所在內(nèi)存的位置，而分段就是支持這種用戶視圖的內(nèi)存管理方案。邏輯地址空間是由一組段構(gòu)成。每個段都有名稱和長度。地址指定了段名稱和段內(nèi)偏移。因此用戶段編號和段偏移來指定不同屬性的地址。而虛擬內(nèi)存地址跟物理內(nèi)存地址中間是通過段表進(jìn)行映射的，口說無憑，看圖吧。

內(nèi)存分段管理

如上虛擬地址有　５　個段，各段按如圖所示來存儲。每個段都在段表中有一個條目，它包括段在物理內(nèi)存內(nèi)的開始的基地址和該段的界限長度。例如段　２　為　４００　字節(jié)長，開始于位置　４３００。因此對段　２　字節(jié)　５３　的引用映射成位置　４３００　＋　５３　＝　４３５３。對段　３　字節(jié)　８５２　的引用映射成位置　３２００　＋　８５２　＝　４０５２。

分段映射很簡單，但是會導(dǎo)致內(nèi)存碎片跟內(nèi)存交互效率低。這里先普及下在內(nèi)存管理中主要有內(nèi)部內(nèi)存碎片跟外部內(nèi)存碎片。

內(nèi)部碎片：已經(jīng)被分配出去的的內(nèi)存空間不經(jīng)常使用，并且分配出去的內(nèi)存空間大于請求所需的內(nèi)存空間。

外部碎片：指可用空間還沒有分配出去，但是可用空間由于大小太小而無法分配給申請空間的新進(jìn)程的內(nèi)存空間空閑塊。

以上圖為例，現(xiàn)在系統(tǒng)空閑是１４００　＋　　８００　＋　６００　＝　２８００。那如果有個程序想要連續(xù)的使用２０００，內(nèi)存分段模式下提供不了啊！上述三個是外部內(nèi)存碎片。當(dāng)然可以使用系統(tǒng)的Ｓｗａｐ空間，先把段０寫入到磁盤，然后再重新給段０分配空間。這樣可以實(shí)現(xiàn)最終可用，可是但凡涉及到磁盤讀寫就會導(dǎo)致內(nèi)存交互效率低。

ｓｗａｐ空間利用

２．２．２　內(nèi)存分頁

內(nèi)存分頁，整個虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存切成一段段固定尺寸的大小。每個固定大小的尺寸稱之為頁Ｐａｇｅ，在　Ｌｉｎｕｘ　系統(tǒng)中Ｐａｇｅ　＝　４ＫＢ。然后虛擬內(nèi)存跟物理內(nèi)存之間通過頁表來實(shí)現(xiàn)映射。

采用內(nèi)存分頁時內(nèi)存的釋放跟使用都是以頁為單位的，也就不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片了。當(dāng)空間還不夠時根據(jù)操作系統(tǒng)調(diào)度算法，可能將最少用的內(nèi)存頁面　ｓｗａｐ－ｏｕｔ換出到磁盤，用時候再ｓｗａｐ－ｉｎ換入，盡可能的減少磁盤刷寫量，提高內(nèi)存交互效率。

分頁模式下虛擬地址主要有頁號跟頁內(nèi)偏移量兩部分組成。通過頁號查詢頁表找到物理內(nèi)存地址，然后再配合頁內(nèi)偏移量就找到了真正的物理內(nèi)存地址。

分頁內(nèi)存尋址

３２位操作系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)程可操作的虛擬地址是４ＧＢ，假設(shè)一個虛擬頁大小為４ＫＢ，那需要４ＧＢ／４ＫＢ　＝　２＾２０　個頁信息。一行頁表記錄為４字節(jié)，２＾２０等價于４ＭＢ頁表存儲信息。這只是一個進(jìn)程需要的，如果１０個、１００個、１０００個呢？僅僅是頁表存儲都占據(jù)超大內(nèi)存了。

為了解決這個問題就需要用到　多級頁表，核心思想就是局部性分配。在３２位的操作系統(tǒng)中將將４Ｇ空間分為　１０２４　行頁目錄項目（４ＫＢ），每個頁目錄項又對應(yīng)１０２４行頁表項。如下圖所示：

３２位系統(tǒng)二級分頁

控制寄存器ｃｒ３中存放了頁目錄的物理地址，通過ｃｒ３寄存器可以找到頁目錄，而３２位線性地址中的Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ部分決定頁目錄中的目錄項，而頁目錄項中存放了要找的頁表的物理基地址，再結(jié)合線性地址中的中間１０位頁表項，就可以找到頁框的頁表項。線性地址中的Ｏｆｆｓｅｔ部分占１２位，因此頁框的物理地址　＋　線性地址Ｏｆｆｓｅｔ部分　＝　頁框中的任何一個字節(jié)。

分頁后一級頁就等價于４Ｇ虛擬地址空間，并且如果一級頁表中那些地址沒有就不需要再創(chuàng)建二級頁表了！核心思想就是按需創(chuàng)建，當(dāng)系統(tǒng)給每個進(jìn)程分配４Ｇ空間，進(jìn)程不可能占據(jù)全部內(nèi)存的，如果一級目錄頁只有１０％用到了，此時頁表空間　＝　一級頁表４ＫＢ　＋　０．１　＊　４ＭＢ　　。這比單獨(dú)的每個進(jìn)程占據(jù)４Ｍ好用多了！

多層分頁的弊端就是訪問時間的增加。

使用頁表時讀取內(nèi)存中一頁內(nèi)容需要２次訪問內(nèi)存，訪問頁表項　＋　并讀取的一頁數(shù)據(jù)。

使用二級頁表的話需要三次訪問，訪問頁目錄項　＋　訪問頁表項　＋　訪問并讀取的一頁數(shù)據(jù)。訪存次數(shù)的增加也就意味著訪問數(shù)據(jù)所花費(fèi)的總時間增加。

而對于６４位系統(tǒng)，二級分頁就無法滿足了，Ｌｉｎｕｘ　從２．６．１１開始采用四級分頁模型。

Ｐａｇｅ　Ｇｌｏｂａｌ　Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ　全局頁目錄項

Ｐａｇｅ　Ｕｐｐｅｒ　Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ　上層頁目錄項

Ｐａｇｅ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｄｉｒｅｃｔｏｒｙ　中間頁目錄項

Ｐａｇｅ　Ｔａｂｌｅ　Ｅｎｔｒｙ　頁表項

Ｏｆｆｓｅｔ　偏移量。

６４位尋址

２．２．２　ＴＬＢ

Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ　Ｌｏｏｋａｓｉｄｅ　Ｂｕｆｆｅｒ　可翻譯為地址轉(zhuǎn)換后援緩沖器，簡稱為快表，屬于ＣＰＵ內(nèi)部的一個模塊，ＴＬＢ是ＭＭＵ的一部分，實(shí)質(zhì)是ｃａｃｈｅ，它所緩存的是最近使用的數(shù)據(jù)的頁表項（虛擬地址到物理地址的映射）。他的出現(xiàn)是為了加快訪問數(shù)據(jù)（內(nèi)存）的速度，減少重復(fù)的頁表查找。當(dāng)然它不是必須要有的，但有它，速度就更快。

ＴＬＢ

ＴＬＢ很小，因此緩存的東西也不多。主要緩存最近使用的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)映射。ＴＬＢ結(jié)構(gòu)如下圖：

ＴＬＢ查詢

如果一個需要訪問內(nèi)存中的一個數(shù)據(jù)，給定這個數(shù)據(jù)的虛擬地址，查詢ＴＬＢ，發(fā)現(xiàn)有ｈｉｔ，直接得到物理地址，在內(nèi)存根據(jù)物理地址取數(shù)據(jù)。如果ＴＬＢ沒有這個虛擬地址ｍｉｓｓ，那么只能費(fèi)力的通過頁表來查找了。日常ＣＰＵ讀取一個數(shù)據(jù)的流程如下：

ＣＰＵ讀取數(shù)據(jù)流程圖

當(dāng)進(jìn)程地址空間進(jìn)行了上下文切換時，比如現(xiàn)在是進(jìn)程１運(yùn)行，ＴＬＢ中放的是進(jìn)程１的相關(guān)數(shù)據(jù)的地址，突然切換到進(jìn)程２，ＴＬＢ中原有的數(shù)據(jù)不是進(jìn)程２相關(guān)的，此時ＴＬＢ刷新數(shù)據(jù)有兩種辦法。

全部刷新：很簡單，但花銷大，很多不必刷新的數(shù)據(jù)也進(jìn)行刷新，增加了無畏的花銷。

部分刷新：根據(jù)標(biāo)志位，刷新需要刷新的數(shù)據(jù)，保留不需要刷新的數(shù)據(jù)。

２．２．３　段頁式管理

內(nèi)存分段跟內(nèi)存分頁不是對立的，這倆可以組合起來在同一個系統(tǒng)中使用的，那么組合起來后通常稱為段頁式內(nèi)存管理。段頁式內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)的方式：

先對數(shù)據(jù)不同劃分出不同的段，也就是前面說的分段機(jī)制。

然后再把每一個段進(jìn)行分頁操作，也就是前面說的分頁機(jī)制。

此時　地址結(jié)構(gòu)　＝　段號　＋　段內(nèi)頁號　＋　頁內(nèi)位移。

每一個進(jìn)程有一張段表，每個段又建立一張頁表，段表中的地址是頁表的起始地址，而頁表中的地址則為某頁的物理頁號。

段頁式管理

同時我們經(jīng)常看到兩個專業(yè)詞邏輯地址跟線性地址。

邏輯地址：指的是沒被段式內(nèi)存管理映射的地址。

線性地址：通過段式內(nèi)存管理映射且頁式內(nèi)存管理轉(zhuǎn)換前的地址，俗稱虛擬地址。

目前　Ｉｎｔｅｌ　Ｘ８６　ＣＰＵ　采用的是內(nèi)存分段　＋　　內(nèi)存分頁的管理方式，其中分頁的意思是在由段式內(nèi)存管理所映射而成的的地址上再加上一層地址映射。

Ｘ８６內(nèi)存管理方式

２．２．４　Ｌｉｎｕｘ　內(nèi)存管理

先說結(jié)論：Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)基于Ｘ８６　ＣＰＵ　而做的操作系統(tǒng)，所以也是用的段頁式內(nèi)存管理方式。

我們知道３２位的操作系統(tǒng)可尋址范圍是４Ｇ，操作系統(tǒng)會將４Ｇ的可訪問內(nèi)存空間分為用戶空間跟內(nèi)核空間。

內(nèi)核空間：操作系統(tǒng)內(nèi)核訪問的區(qū)域，獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，是受保護(hù)的內(nèi)存空間。內(nèi)核態(tài)下ＣＰＵ可執(zhí)行任何指令，可自由訪問任何有效地址。

用戶空間：普通應(yīng)用程序可訪問的內(nèi)存區(qū)域。被執(zhí)行代碼會受到ＣＰＵ眾多限制，進(jìn)程只能訪問映射其地址空間的頁表項中規(guī)定的在用戶態(tài)下可訪問頁面的虛擬地址。

那為啥要搞倆空間呢？現(xiàn)在嵌入式環(huán)境跟以前的ＷＩＮ９８系統(tǒng)是沒有區(qū)分倆空間的，須知倆空間是ＣＰＵ分的，而操作系統(tǒng)是在上面運(yùn)行的，單一用戶、單一任務(wù)服務(wù)的操作系統(tǒng)，是沒有分所謂用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的必要。用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)是因為有多用戶，多任務(wù)的需求，然后在ＣＰＵ硬件廠商配合之后，產(chǎn)生的一個操作系統(tǒng)解決多用戶多任務(wù)需求的方案。方案就是限制，通過硬件手段（也只能硬件手段才能做到），限制某些代碼，使其無法控制整個物理硬件，進(jìn)而使各個不同用戶，不同任務(wù)的代碼，無權(quán)修改整個物理硬件，再進(jìn)而保護(hù)操作系統(tǒng)的核心底層代碼和其他用戶的數(shù)據(jù)不被無意或者有意地破壞和盜取。

后來研究者根據(jù)ＣＰＵ的運(yùn)行級別，分成了Ｒｉｎｇ０～Ｒｉｎｇ３四個級別。Ｒｉｎｇ０是最高級別，Ｒｉｎｇ１次之，Ｒｎｇ２更次之，拿Ｌｉｎｕｘ＋ｘ８６來說，　　操作系統(tǒng)內(nèi)核的代碼運(yùn)行在最高運(yùn)行級別Ｒｉｎｇ０上，可以使用特權(quán)指令，控制中斷、修改頁表、訪問設(shè)備等。　應(yīng)用程序的代碼運(yùn)行在最低運(yùn)行級別上Ｒｉｎｇ３上，不能做受控操作，只能訪問用戶被分配的空間。如果要做訪問磁盤跟寫文件等操作，那就要通過執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的時候，ＣＰＵ的運(yùn)行級別會發(fā)生從Ｒｉｎｇ３到Ｒｉｎｇ０的切換，并跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)的內(nèi)核代碼位置執(zhí)行，這樣內(nèi)核就為你完成了設(shè)備訪問，完成之后再從Ｒｉｎｇ０返回Ｒｉｎｇ３。這個過程也稱作用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換。

用戶態(tài)想要使用計算機(jī)設(shè)備或ＩＯ需通過系統(tǒng)調(diào)用完成ｓｙｓ　ｃａｌｌ，系統(tǒng)調(diào)用就是讓內(nèi)核來做這些操作。而系統(tǒng)調(diào)用是影響整個當(dāng)前進(jìn)程上下文的，ＣＰＵ提供了個軟中斷來是實(shí)現(xiàn)保護(hù)線程，獲取系統(tǒng)調(diào)用號跟參數(shù)，交給內(nèi)核對應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)執(zhí)行。

Ｌｉｎｕｘ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可以看到每個應(yīng)用程序都各自有獨(dú)立的虛擬內(nèi)存地址，但每個虛擬內(nèi)存中對應(yīng)的內(nèi)核地址其實(shí)是相同的一大塊，這樣當(dāng)進(jìn)程切換到內(nèi)核態(tài)后可以很方便地訪問內(nèi)核空間內(nèi)存。比如Ｊａｖａ代碼創(chuàng)建線程ｎｅｗ　Ｔｈｒｅａｄ調(diào)用ｓｔａｒｔ方法后跟蹤ＪＶＭ源碼你會發(fā)現(xiàn)是調(diào)用ｐｔｈｒｅａｄ＿ｃｒｅａｔｅ來創(chuàng)建線程的，這就涉及到了用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。

３　進(jìn)程管理

３．１　進(jìn)程基礎(chǔ)知識

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，是一個程序及其數(shù)據(jù)在機(jī)器上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動，是具有獨(dú)立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個基本單位。進(jìn)程的調(diào)度狀態(tài)如下：

狀態(tài)變化圖

重點(diǎn)說下掛起跟阻塞：

阻塞一般是當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行ＩＯ操作時，此時進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待某個事件的返回。

掛起是指進(jìn)程沒有占有物理內(nèi)存，被寫到磁盤上了。這時進(jìn)程狀態(tài)是掛起狀態(tài)。

阻塞掛起：進(jìn)程被寫入硬盤并等待某個事件的出現(xiàn)。

就緒掛起：進(jìn)程被寫入硬盤，進(jìn)入內(nèi)存可直接進(jìn)入就緒狀態(tài)。

３．２　ＰＣＢ

為了描述跟控制進(jìn)程的運(yùn)行，系統(tǒng)為每個進(jìn)程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂｌｏｃｋ，它是進(jìn)程實(shí)體的一部分，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

ＰＣＢ　的作用是使一個在多道程序環(huán)境下不能獨(dú)立運(yùn)行的程序，成為一個能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，一個能與其它進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程　：

作為獨(dú)立運(yùn)行基本單位的標(biāo)志

實(shí)現(xiàn)間斷性的運(yùn)行方式

提供進(jìn)程管理所需要的信息

提供進(jìn)程調(diào)度所需要的信息

實(shí)現(xiàn)與其他進(jìn)程的同步與通信

３．２．１　ＰＣＢ　信息

ＰＣＢ為實(shí)現(xiàn)上述功能，內(nèi)部包含眾多信息：

進(jìn)程標(biāo)識符：用于唯一地標(biāo)識一個進(jìn)程，一個進(jìn)程通常有兩種標(biāo)識符：

內(nèi)部進(jìn)程標(biāo)識符：標(biāo)識各個進(jìn)程，每個進(jìn)程都有一個并且唯一的標(biāo)識符，設(shè)置內(nèi)部標(biāo)識符主要是為了方便系統(tǒng)使用。

外部進(jìn)程標(biāo)識符：它由創(chuàng)建者提供，可設(shè)置用戶標(biāo)識，以指示擁有該進(jìn)程的用戶。往往是由用戶進(jìn)程在訪問該進(jìn)程時使用。一般為了描述進(jìn)程的家族關(guān)系，還應(yīng)設(shè)置父進(jìn)程標(biāo)識及子進(jìn)程標(biāo)識。

處理機(jī)狀態(tài)：由各種寄存器組成。包含許多信息都放在寄存器中，方便程序ｒｅｓｔａｒｔ。

通用寄存器、指令計數(shù)器、程序狀態(tài)字ＰＳＷ、用戶棧指針等信息。

進(jìn)程調(diào)度信息

進(jìn)程狀態(tài)：指明進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，作為進(jìn)程調(diào)度和對換時的依據(jù)。

進(jìn)程優(yōu)先級：用于描述進(jìn)程使用處理機(jī)的優(yōu)先級別的一個整數(shù)，優(yōu)先級高的進(jìn)程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機(jī)

進(jìn)程調(diào)度所需的其它信息：與所采用的進(jìn)程調(diào)度算法有關(guān)，如進(jìn)程已等待ＣＰＵ的時間總和、進(jìn)程已執(zhí)行的時間總和等。

事件：指進(jìn)程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。

資源清單

有關(guān)內(nèi)存地址空間或虛擬地址空間的信息，所打開文件的列表和所使用的　Ｉ／Ｏ　設(shè)備信息。

３．２．２　ＰＣＢ　組織方式

操作系統(tǒng)中有太多　ＰＣＢ，如何管理是個問題，一般有如下方式。

線下數(shù)組

線性方式：

將系統(tǒng)所有ＰＣＢ都組織在一張線性表中，將該表首地址存在內(nèi)存的一個專用區(qū)域

實(shí)現(xiàn)簡單，開銷小，但是每次都需要掃描整張表，適合進(jìn)程數(shù)目不多的系統(tǒng)

索引方式

索引方式：

將同一狀態(tài)的進(jìn)程組織在一個索引表中，索引表項指向相應(yīng)的　ＰＣＢ，不同狀態(tài)對應(yīng)不同的索引表。

鏈表方式

鏈接方式：

把同一狀態(tài)的ＰＣＢ鏈接成一個隊列，形成就緒隊列、阻塞隊列、空白隊列等。對其中的就緒隊列常按進(jìn)程優(yōu)先級的高低排列，優(yōu)先級高排在隊前。

因為進(jìn)程創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度頻繁，所以一般采用此模式。

３．３　進(jìn)程控制

進(jìn)程控制是進(jìn)程管理最基本的功能，主要包括創(chuàng)建新進(jìn)程，終止已完成的進(jìn)程，將發(fā)生異常的進(jìn)程置于阻塞狀態(tài)，將進(jìn)程喚醒等。

３．３．１　進(jìn)程創(chuàng)建

父進(jìn)程可創(chuàng)建子進(jìn)程，父進(jìn)程終止后子進(jìn)程也會被終止。子進(jìn)程可繼承父進(jìn)程所有資源，子進(jìn)程終止需將自己所繼承的資源歸還父進(jìn)程。接下來看下創(chuàng)建的大致流程。

為新進(jìn)程分配唯一進(jìn)件標(biāo)識號，然后創(chuàng)建一個空白ＰＣＢ，需注意ＰＣＢ數(shù)量是有限的，所以可能會創(chuàng)建失敗。

嘗試為新進(jìn)程分配所需資源，如果資源不足進(jìn)程會進(jìn)入等待狀態(tài)。

初始化ＰＣＢ，有如下幾個操作。

標(biāo)識信息：將系統(tǒng)分配的標(biāo)識符和父進(jìn)程標(biāo)識符填入新ＰＣＢ

處理機(jī)狀態(tài)信息：使程序計數(shù)器指向程序入口地址，使棧指針指向棧頂

處理機(jī)控制信息：將進(jìn)程設(shè)為就緒／靜止?fàn)顟B(tài)，通常設(shè)為最低優(yōu)先級

如果進(jìn)程調(diào)度隊列能接納新進(jìn)程，就將進(jìn)程插入到就緒隊列，等待被調(diào)度運(yùn)行。

３．３．２　進(jìn)程終止

進(jìn)程終止情況一般分為正常結(jié)束、異常結(jié)束、外界干預(yù)三種。

正常結(jié)束

異常結(jié)束

越界錯：訪問的存儲區(qū)越出該進(jìn)程的區(qū)域

保護(hù)錯：試圖訪問不允許訪問的資源，或以不適當(dāng)?shù)姆绞皆L問（寫只讀）

非法指令：試圖執(zhí)行不存在的指令（可能是程序錯誤地轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)當(dāng)成了指令）

特權(quán)指令出錯：用戶進(jìn)程試圖執(zhí)行一條只允許ＯＳ執(zhí)行的指令

運(yùn)行超時：執(zhí)行時間超過指定的最大值

等待超時：進(jìn)程等待某件事超過指定的最大值

算數(shù)運(yùn)算錯：試圖執(zhí)行被禁止的運(yùn)算（被０除）

Ｉ／Ｏ故障

外界干預(yù)

操作員或ＯＳ干預(yù)（死鎖）

父進(jìn)程請求，子進(jìn)程完成父進(jìn)程指定的任務(wù)時

父進(jìn)程終止，所有子進(jìn)程都應(yīng)該結(jié)束

終止過程：

根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識符，從ＰＣＢ集合中檢索出該ＰＣＢ，讀取進(jìn)程狀態(tài)

若處于執(zhí)行狀態(tài)則立即終止執(zhí)行，將ＣＰＵ資源分配給其他進(jìn)程。

若進(jìn)程有子孫進(jìn)程則將其所有子孫進(jìn)程終止。

全部資源還給父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。

該進(jìn)程的ＰＣＢ從所在隊列／鏈表中移出。

３．３．３　進(jìn)程阻塞

意思是該進(jìn)程執(zhí)行半路被阻塞，必須由某個事件進(jìn)程喚醒該進(jìn)程。常見的就是ＩＯ讀取操作。常見阻塞時機(jī)／事件如下：

請求共享資源失敗，系統(tǒng)無足夠資源分配

等待某種操作完成

新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)（相互合作的進(jìn)程）

等待新任務(wù)

阻塞流程：

找到要被阻塞進(jìn)程標(biāo)識號對應(yīng)的　ＰＣＢ。

將該進(jìn)程由運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。

將該　進(jìn)程ＰＣＢ　插入的阻塞隊列中去。

３．３．４　進(jìn)程喚醒

喚醒　原語　ｗａｋｅ　ｕｐ，一般和阻塞成對使用。喚醒過程如下：

從阻塞隊列找到所需ＰＣＢ。

ＰＣＢ從阻塞隊列溢出，然后變?yōu)榫途w狀態(tài)。

從阻塞隊列溢出該ＰＣＢ然后插入到就緒狀態(tài)隊列等待被分配ＣＰＵ資源。

３．４　進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程數(shù)一般會大于ＣＰＵ個數(shù)，進(jìn)程狀態(tài)切換主要由調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度。一般情況下ＣＰＵ調(diào)度時主要分為搶占式調(diào)度跟非搶占式調(diào)度。

非搶占式：讓進(jìn)程運(yùn)行直到結(jié)束或阻塞的調(diào)度方式，　容易實(shí)現(xiàn)，適合專用系統(tǒng)。

搶占式：每個進(jìn)程獲得時間片才可以被ＣＰＵ調(diào)度運(yùn)行，　可防止單一進(jìn)程長時間獨(dú)占ＣＰＵ　系統(tǒng)開銷大。

３．４．１　進(jìn)程調(diào)度原則

ＣＰＵ　利用率

ＣＰＵ利用率　＝　忙碌時間　／　總時間。

調(diào)度程序應(yīng)該盡量讓　ＣＰＵ　始終處于忙碌的狀態(tài)，這可提高　ＣＰＵ　的利用率。比如當(dāng)發(fā)生ＩＯ讀取時候，不要傻傻等待，去執(zhí)行下別的進(jìn)程。

系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量　＝　總共完成多少個作業(yè)　／　總共花費(fèi)時間。

長作業(yè)的進(jìn)程會占用較長的　ＣＰＵ　資源導(dǎo)致降低吞吐量，相反短作業(yè)的進(jìn)程會提升系統(tǒng)吞吐量。

周轉(zhuǎn)時間

周轉(zhuǎn)時間　＝　作業(yè)完成時間　－　作業(yè)提交時間。

平均周轉(zhuǎn)時間　＝　各作業(yè)周轉(zhuǎn)時間和　／　作業(yè)數(shù)

帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間　＝　作業(yè)周轉(zhuǎn)時間　／　作業(yè)實(shí)際運(yùn)行時間

平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間　＝　各作業(yè)帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間之和　／　作業(yè)數(shù)

盡可能使周轉(zhuǎn)時間降低。

等待時間

指的是進(jìn)程在等待隊列中等待的時間，一般也需要盡可能短。

響應(yīng)時間

響應(yīng)時間　＝　系統(tǒng)第一次響應(yīng)時間　－　用戶提交時間，在交互式系統(tǒng)中響應(yīng)時間是衡量調(diào)度算法好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)。

３．４．２　調(diào)度算法

ＦＣＦＳ　算法

Ｆｉｒｓｔ　Ｃｏｍｅ　Ｆｉｒｓｔ　Ｓｅｖｅｒｄ　先來先服務(wù)算法，遵循先來后端原則，每次從就緒隊列拿等待時間最久的，運(yùn)行完畢后再拿下一個。

該模式對長作業(yè)有利，適用　ＣＰＵ　繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)，不適用　Ｉ／Ｏ　型作業(yè)，因為會導(dǎo)致進(jìn)程ＣＰＵ利用率很低。

ＳＪＦ　算法

Ｓｈｏｒｔｅｓｔ　Ｊｏｂ　Ｆｉｒｓｔ　最短作業(yè)優(yōu)先算法，該算法會優(yōu)先選擇運(yùn)行所需時間最短的進(jìn)程執(zhí)行，可提高吞吐量。

跟ＦＣＦＳ正好相反，對長作業(yè)很不利。

ＳＲＴＮ　算法

Ｓｈｏｒｔｅｓｔ　Ｒｅｍａｉｎｉｎｇ　Ｔｉｍｅ　Ｎｅｘｔ　最短剩余時間優(yōu)先算法，可以認(rèn)為是ＳＪＦ的搶占式版本，當(dāng)一個新就緒的進(jìn)程比當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程具有更短完成時間時，系統(tǒng)搶占當(dāng)前進(jìn)程，選擇新就緒的進(jìn)程執(zhí)行。

有最短的平均周轉(zhuǎn)時間，但不公平，源源不斷的短任務(wù)到來，可能使長的任務(wù)長時間得不到運(yùn)行。

ＨＲＲＮ　算法

Ｈｉｇｈｅｓｔ　Ｒｅｓｐｏｎｓｅ　Ｒａｔｉｏ　Ｎｅｘｔ　最高響應(yīng)比優(yōu)先算法，為了平衡前面?zhèn)z而生，按照響應(yīng)優(yōu)先權(quán)從高到低依次執(zhí)行。屬于前面?zhèn)z的折中權(quán)衡。

優(yōu)先權(quán)　＝　（等待時間　＋　要求服務(wù)時間）　／　要求服務(wù)時間

ＲＲ　算法

Ｒｏｕｎｄ　Ｒｏｂｉｎ　時間片輪轉(zhuǎn)算法，操作系統(tǒng)設(shè)定了個時間片Ｑｕａｎｔｕｍ，時間片導(dǎo)致每個進(jìn)程只有在該時間片內(nèi)才可以運(yùn)行，這種方式導(dǎo)致每個進(jìn)程都會均勻的獲得執(zhí)行權(quán)。

時間片一般２０ｍｓ～５０ｍｓ，如果太小會導(dǎo)致系統(tǒng)頻繁進(jìn)行上下文切換，太大又可能引起對短的交互請求的響應(yīng)變差。

ＨＰＦ　算法

Ｈｉｇｈｅｓｔ　Ｐｒｉｏｒｉｔｙ　Ｆｉｒｓｔ　最高優(yōu)先級調(diào)度算法，從就緒隊列中選擇最高優(yōu)先級的進(jìn)程先執(zhí)行。

優(yōu)先級的設(shè)置有初始化固定死的那種，也有在代碼運(yùn)轉(zhuǎn)過程中根據(jù)等待時間或性能動態(tài)調(diào)整　這兩種思路。

缺點(diǎn)是可能導(dǎo)致低優(yōu)先級的一直無法被執(zhí)行。

ＭＦＱ　算法

Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｑｕｅｕｅ　多級反饋隊列調(diào)度算法　，可以認(rèn)為是　ＲＲ　算法　跟　ＨＰＦ　算法　的綜合體。

系統(tǒng)會同時存在多個就緒隊列，每個隊列優(yōu)先級從高到低排列，同時優(yōu)先級越高獲得是時間片越短。

新進(jìn)程會先加入到最高優(yōu)先級隊列，如果新進(jìn)程優(yōu)先級高于當(dāng)前在執(zhí)行的進(jìn)程，會停止當(dāng)前進(jìn)程轉(zhuǎn)而去執(zhí)行新進(jìn)程。新進(jìn)程如果在時間片內(nèi)沒執(zhí)行完畢需下移到次優(yōu)先級隊列。

多級反饋隊列調(diào)度算法

３．５　線程

３．５．１　線程定義

早期操作系統(tǒng)是沒有線程概念的，線程是后來加進(jìn)來的。為啥會有線程呢？那是因為以前在多進(jìn)程階段，經(jīng)常會涉及到進(jìn)程之間如何通訊，如何共享數(shù)據(jù)的問題。并且進(jìn)程關(guān)聯(lián)到ＰＣＢ的生命周期，管理起來開銷較大。為了解決這個問題引入了線程。

線程是進(jìn)程當(dāng)中的一個執(zhí)行流程。同一個進(jìn)程內(nèi)的多個線程之間可以共享進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、打開的文件等資源。同時每個線程又都有一套獨(dú)立的寄存器和棧來確保線程的控制流是獨(dú)立的。

進(jìn)程有個ＰＣＢ來管理，同理操作系統(tǒng)通過　Ｔｈｒｅａｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂｌｏｃｋ線程控制塊來實(shí)現(xiàn)線程的管控。

３．５．２　線程優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

一個進(jìn)程中可以同時存在１～Ｎ個線程，這些線程可以并發(fā)的執(zhí)行。

各個線程之間可以共享地址空間和文件等資源。

缺點(diǎn)

當(dāng)進(jìn)程中的一個線程奔潰時，會導(dǎo)致其所屬進(jìn)程的所有線程奔潰。

多線程編程，讓人頭大的東西。

線程執(zhí)行開銷小，但不利于資源的隔離管理和保護(hù)，而進(jìn)程正相反。

３．５．３　進(jìn)程跟線程關(guān)聯(lián)

進(jìn)程：

是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位．

是程序的一次執(zhí)行，每個進(jìn)程都有自己的地址空間、內(nèi)存、數(shù)據(jù)棧及其他輔助記錄運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)

線程：

是進(jìn)程的一個實(shí)體，是ＣＰＵ調(diào)度和分派的基本單位，它是比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位

所有的線程運(yùn)行在同一個進(jìn)程中，共享相同的運(yùn)行資源和環(huán)境

線程一般是并發(fā)執(zhí)行的，使得實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)的并行和數(shù)據(jù)共享。

進(jìn)程線程區(qū)別：

一個線程只能屬于一個進(jìn)程，而一個進(jìn)程可以有多個線程，但至少有一個線程。

線程的劃分尺度小于進(jìn)程（資源比進(jìn)程少），使得多線程程序的并發(fā)性高。

進(jìn)程在執(zhí)行過程中擁有獨(dú)立的內(nèi)存單元，而多個線程共享內(nèi)存，從而極大地提高了程序的運(yùn)行效率。

資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源。

ＣＰＵ分配資源給進(jìn)程，但真正在ＣＰＵ上運(yùn)行的是線程。

線程不能夠獨(dú)立執(zhí)行，必須依存在進(jìn)程中。

線程快在哪兒？

線程創(chuàng)建的時有些資源不需要自己管理，直接從進(jìn)程拿即可，線程管理寄存器跟棧的生命周期即可。

同進(jìn)程內(nèi)多線程共享數(shù)據(jù)，所以進(jìn)程數(shù)據(jù)傳輸可以用ｚｅｒｏ　ｃｏｐｙ技術(shù)，不需要經(jīng)過內(nèi)核了。

進(jìn)程使用一個虛擬內(nèi)存跟頁表，然后多線程共用這些虛擬內(nèi)存，如果同進(jìn)程內(nèi)兩個線程進(jìn)行上下文切換比進(jìn)程提速很多。

３．５．４　線程實(shí)現(xiàn)

在前面的內(nèi)存管理中說到了內(nèi)核態(tài)跟用戶態(tài)。相對應(yīng)的線程的創(chuàng)建也分為用戶態(tài)線程跟內(nèi)核態(tài)線程。

３．５．４．１　用戶態(tài)線程

在用戶空間實(shí)現(xiàn)的線程，由用戶態(tài)的線程庫來完成線程的管理。操作系統(tǒng)按進(jìn)程維度進(jìn)行調(diào)度，當(dāng)線程在用戶態(tài)創(chuàng)建時應(yīng)用程序在用戶空間內(nèi)要實(shí)現(xiàn)線程的創(chuàng)建、維護(hù)和調(diào)度。操作系統(tǒng)對線程的存在一無所知！操作系統(tǒng)只能看到進(jìn)程看不到線程。所有的線程都是在用戶空間實(shí)現(xiàn)。在操作系統(tǒng)看來，每一個進(jìn)程只有一個線程。