Linux程序相關概念

1.程序調用 

2.CPU配置設定

3.程序建立 

4.程序排程

5.記憶體配置設定與回收

6.程序類型 

7.程序狀态 

8.IO過程

9.IPC

一、Linux程序及作業管理

1.程序調用：

    call:調用别人實作編寫好的功能子產品

    可以基于{system call/lib調用}或者混合調用

    系統調用：通常在核心發生

    庫調用：有的可能是一個獨立的子產品，有的可能是對系統調用的二次封裝

程序調用意味着什麼？

    CPU指令：普通指令：ring3 //任何應用程式都可以執行

        特權指令：ring0//不允許程式随意調用，由核心調用，來實作硬體平台的管理

    任何程式需要運作特權指令，OS把其封裝成調用，必須要向核心發起調用，由核心執行

        system call在ring3，發起在ring0運作，然後調用完成後傳回ring3

    該程序需要運作ring0的指令的時候：發起軟中斷，目的在于發起system call

        //核心把該代碼載入cpu，把執行結果傳回給調用者，調用後繼續運作後續代碼

        //程式需要暫停運作：system call之後繼續運作，這叫軟中斷

    CPU指令分為：

        特權指令：ring 0 //root環，記憶體尋址，記憶體控制，設定記憶體的通路權限為w/r

                //普通使用者的特權指令是不允許運作特權指令的

                //核心級别和OS級别代碼，才會去運作特權指令

        ring1，ring2，//曆史原因，沒有使用

        使用者指令：ring3

    運作使用者代碼的時候：使用者模式/使用者空間

    程序發起system call，需要軟中斷：核心模式/核心空間

    例如mkdir /tmp/a :這就需要一次中斷，因為要對硬體進行操作

    核心的作用：程序管理，fs，network functions

    cpu會在使用者指令和核心指令之間來回切換：模式切換

    一般：70%代碼在使用者程序，其他的核心程序最好

2.CPU如何進行資源配置設定//假如cpu隻有一個

    時間片切割：time split

    程序有優先級的概念：輪流使用CPU

    1.假如一個程序霸占cpu不放

        需要一個仲裁機制：核心(程序管理:負責程序排程)

    2.儲存程序狀态 

        在cpu上的寄存器上，cpu上有寄存器：儲存的是目前程序的狀态

        一旦切換到下一個指令後，這些值都會發生改變

    程序保護與恢複：

        現場資訊：由核心負責儲存，在記憶體中存放

            程序資訊：程序号，占用的記憶體号，狀态，cpu時間配置設定等

        切換由核心完成，

        linux核心存儲的程序資訊的固定格式：task struct //task結構體

        //結構體資訊，使用連結清單存儲，友善查找

        //多個任務的task struct組成的連結清單：task list

    process：運作中的程式的一個副本

        存在生命周期

        //程式是一個靜态的檔案

    3.當中斷發生的時候，必須由核心接管一切

3.程序建立

    每一個程序的組織結構都是一樣的

    核心建立了第一個程序：init

    init：上帝的使者

        //init建立後，意味着使用者空間也被建立出來了

    相當于總代理：

        他可以建立子程序，子程序建立子程序

        父子關系

        程序：都由其父程序建立 //需要向核心申請

            fork()，clone() //建立子程序[可以為同一段記憶體空間]，隻有在子程序需要寫資料的時候，才分家CoW(寫時複制)配置設定另外一段空間

                            //程序=指令+資料，需要寫資料的時候，CoW複制一份，進行分家

    程序終止的話：釋放空間，父程序負責

        父程序建立子程序：為了讓子程序運作某一特定任務，子程序完成後，需要進行銷毀

    系統調用：

        read(),write(),open()

    并行執行，以線程運作：很普遍//一個父程式，建立其子程序，其線程可以同時運作在其他cpu上

    一個程序可以産生多個線程，并行運作//多核

    優先級：劃分了固定個數：//kernel 2.6之後

    0-99：實時優先級 //數字越大優先級越高

    100-139:靜态優先級//使用者可指定，數字越小，優先級越高

    nice值:-20-+19 //100-139 ，-20:100  +19:100 //調整優先級

    Linux核心為了快速實作程序的排程：把系統上代運作的程序分了140個隊列

        相同優先級的拍一隊 //隻需掃描隊列的首部即可

        Big O：算法複雜度

            O(1),O(logn),O(n),O(n^2),O(2^n)

        每一對運作隊列都有兩隊：//當運作隊列完成後，和過期隊列對換身份

            運作隊列：真正掃描的

            過期隊列：已經被排程過的隊列

    task struck中存放的資料：

        state,thread_info,flags,mm,tty,....

        線程，記憶體資訊，tty，fs，files，信号等

5.記憶體的配置設定與回收，建立等

    記憶體分片：4K大小，單個成為page

        page frame:頁框，用來存儲頁面資料

            存儲page//頁框中存儲的資料成為頁資料

    記憶體不能預測程序需要多少空間來使用：假設

        ---------------------------------|

        |--------|-----------------------|//記憶體

        核心占用 | 其他程序使用

    把其他的記憶體：切割成固定大小的片段page，把這些片段配置設定給其他程序

    記憶體占用的大小：不是固定的，後期可能會增長的

    程序啟動後，核心把衆多分散的空閑的空間中找，拼湊起來配置設定給該程序

    記憶體中存在大量的：page frame組成

        而這些page frame：都以不連續或者部分連續的方式組成

    頁對應的是線性位址的東西   而頁框對應的是實體位址   是實際的存儲區域

    告訴程序是連續的：通過一個中間層，僞裝

    每一個系統都認為：世界上隻存在兩個人，自己和核心

    程序的線性位址空間：每一個程序都假設自己有3G(32bit)的記憶體可用

    實體位址空間：真正占用的空間可能隻有很少

        //他們之間是離散對應的，虛拟記憶體機制

    LRU：最近最少使用算法

        線性位址空間映射到記憶體空間

    程序隻能通路：線性位址空間，

        MMU:Memory Management Unit//記憶體管理單元：負責記憶體線性記憶體和實體記憶體之間的映射

    一旦記憶體不夠使用：LRU算法，置換到swap中，輪到該程序的時候，再次換回去 

    //核心為每一個程序都儲存有一個task_struck:記錄了線性位址空間和實體位址空間的對應關系

    有些程式的資料是必須在記憶體中的：常駐記憶體集

    能夠交換出去的：虛拟記憶體集

    Linux核心：搶占式多任務//程序優先級高的搶占程序優先級低的

        可以把别人運作所用的CPU時間片搶過來

        隻有在相應的時間點，才可以搶，不能程序剛上線，就開始搶了

6.程序類型：

        守護程序：daemon，由核心在系統引導時啟動的程序

        前台程序：使用者通過終端啟用的程序//和終端相關

            注意：也可把在前台啟動的程序送往背景，以守護模式運作

7.程序狀态：

        運作态：running

        就緒态：ready

        睡眠态:

            可中斷睡眠：interruptable

                    //CPU時間片到了就可以直接運作

            不可中斷睡眠：uninterruptable //例如一個程序需要等待加載一個大檔案，即使下一個cpu時間片到了，也沒有滿足運作條件

                    //程序等待的這個過程做什麼呢？不可能讓他占領cpu，隻能讓他把cpu讓出來，讓其他程序運作，直到該程序滿足該條件

                    //這就叫做一次IO過程

                    //IO過程:某一程序需要加載的資料，記憶體中沒有，就不得不請求核心從磁盤把資料裝入到記憶體

                    //程序是沒有權限，加載資料到記憶體中的，隻有向核心申請，但是核心通常隻是加載的資料，是加載到核心空間中的記憶體中的

        停止态：暫停于記憶體中，但不會被排程，除非手動啟動之，stopped

        僵死狀态：zombie,一個子程序被建立後，并且任務完成後，等待被父程序清理

            //父程序挂了，但是子程序依然存在    

8.IO過程：

        1.資料首先從磁盤裝入到核心記憶體中去

        2.複制一份到程序記憶體中去

    程序的分類：

        CPU-Bound //CPU密集型

        IO-Bound //IO密集型

IPC：inter preocess communication：程序間通信

    //程序是意識不到其他程序的存在的

同一主機上：

    signal //常見通信方式

    shm:shared memory

    semerphor:

不同主機上：

    rpc:remote procecure call //遠端過程調用

    socket：基于套接字的通信

        //一個程序監聽在一個位置上，可以接受别人發送的消息

        //一端隻管向socket發資料，核心會自動把資料傳送到另一端，另一單

本文轉自MT_IT51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/hmtk520/1977631，如需轉載請自行聯系原作者