Linux 内核、进程调度、进程通信、多线程、协程

Linux内核

操作系统是什么

内核是什么

从功能层面上来说，内核就是一个中间层，软件和硬件之间交互的中间层，链接层

从其他方面理解内核 系统调用，开放了很多接口；资源管理

内核实现的策略

宏内核

微内核

内核包含哪些核心的模块

进程的调度与切换

内存管理

虚拟内存机制

和网络交互的地方

设备驱动程序

进程通信机制&锁

其他模块

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Linux进程调度

进程分类

实时进程   用户交互的进程，需要及时响应

普通进程   如压缩文件，视频的编码解码

上下文切换

上下文切换指的是内核在CPU上对进程或者线程进行切换。上下文切换过程中的信息被保存在进程控制块（PCB-Process Control Block）中。PCB又被称作切换帧（SwitchFrame）。上下文切换的信息会一直被保存在CPU的内存中，直到被再次使用。

执行环境的变化

调度算法

FCFS  先来先服务调度算法

SJF   短作业(进程)优先调度算法

SRTF  最短剩余时间优先算法

HRRF  响应比高者优先算法

PS   优先级调度算法

RR   时间片轮转法

MLFQ  多级反馈队列调度算法

进程队列

全局队列

局部队列

进程优先级

查看进程优先级的命令 ps -l

nice值

nice值越高，优先级越低

用户可以设置的值，这个值是来影响优先级

Linux进程优先级和nice值 - leno米雷 - 博客园 (cnblogs.com)

优先级和nice的范围

nice  -20~19

进程优先级0~139

实时进程的优先级是0~100

普通进程的优先级是100~139

静态优先级

nice值来决定的优先级，权利在用户，用户在一开始就设定优先级，同时可以更改

动态优先级

内核来决定的，内核自动修改优先级

Linux调度器

O(n)调度器     cpu进程队列

O(1)调度器    优先级映射成了一个bitmap

CFS调度器

【原创】（一）Linux进程调度器-基础 - LoyenWang - 博客园 (cnblogs.com)

linux调度器源码分析 - 概述(一) - tolimit - 博客园 (cnblogs.com)

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进程通信

• 管道    分为无名管道pipe和 命名管道named pipe
• 消息队列 message
• 信号 signal
• 共享内存  shared memory
• 信号量 semaphore
• 套接字 socket    可用于不同系统之间，管道和消息队列只能在同一系统

进程间通讯的7种方式_zhaohong_bo的专栏-优快云博客_进程间通信

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信号

软中断信号（signal，又简称为信号）用来通知进程发生了事件。

注意，信号只是用来通知某进程发生了什么事件，无法给进程传递任何数据，进程对信号的处理方法有三种：

1）第一种方法是，忽略某个信号，对该信号不做任何处理，就象未发生过一样。

2）第二种是设置中断的处理函数，收到信号后，由该函数来处理。

3）第三种方法是，对该信号的处理采用系统的默认操作，大部分的信号的默认操作是终止进程。

signal库函数 

signal库函数可以设置程序对信号的处理方式。

函数声明：

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

参数signum表示信号的编号。

参数handler表示信号的处理方式，有三种情况：

1）SIG_IGN：忽略参数signum所指的信号。

2）一个自定义的处理信号的函数，信号的编号为这个自定义函数的参数。

3）SIG_DFL：恢复参数signum所指信号的处理方法为默认值。 

程序员不关心signal的返回值。

发送信号

Linux操作系统提供了kill命令向程序发送信号，C语言也提供了kill库函数，用于在程序中向其它进程或者线程发送信号。

函数声明：

int kill(pid_t pid, int sig);

kill函数将参数sig指定的信号给参数pid 指定的进程。

参数pid 有几种情况：

1）pid>0 将信号传给进程号为pid 的进程。

2）pid=0 将信号传给和目前进程相同进程组的所有进程，常用于父进程给子进程发送信号，注意，发送信号者进程也会收到自己发出的信号。

3）pid=-1 将信号广播传送给系统内所有的进程，例如系统关机时，会向所有的登录窗口广播关机信息。

sig：准备发送的信号代码，假如其值为零则没有任何信号送出，但是系统会执行错误检查，通常会利用sig值为零来检验某个进程是否仍在运行。

返回值说明： 成功执行时，返回0；失败返回-1，errno被设为以下的某个值。

EINVAL：指定的信号码无效（参数 sig 不合法）。

EPERM：权限不够无法传送信号给指定进程。

ESRCH：参数 pid 所指定的进程或进程组不存在。

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共享内存

共享内存（Shared Memory）就是允许多个进程访问同一个内存空间，是在多个进程之间共享和传递数据最高效的方式。

共享内存并未提供锁机制，也就是说，在某一个进程对共享内存的进行读写的时候，不会阻止其它的进程对它的读写。如果要对共享内存的读/写加锁，可以使用信号灯。

shmget函数

shmget函数用来获取或创建共享内存，它的声明为：

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数key是共享内存的键值，是一个整数，typedef unsigned int key_t，是共享内存在系统中的编号，不同共享内存的编号不能相同，这一点由程序员保证。key用十六进制表示比较好。

参数size是待创建的共享内存的大小，以字节为单位。

参数shmflg是共享内存的访问权限，与文件的权限一样，0666|IPC_CREAT表示全部用户对它可读写，如果共享内存不存在，就创建一个共享内存。

shmat函数

把共享内存连接到当前进程的地址空间。它的声明如下：

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

参数shm_id是由shmget函数返回的共享内存标识。

参数shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。

参数shm_flg是一组标志位，通常为0。

调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败返回-1.

shmdt函数

该函数用于将共享内存从当前进程中分离，相当于shmat函数的反操作。它的声明如下：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数shmaddr是shmat函数返回的地址。

调用成功时返回0，失败时返回-1.

shmctl函数

删除共享内存，它的声明如下：

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);

参数shm_id是shmget函数返回的共享内存标识符。

参数command填IPC_RMID。

参数buf填0。

解释一下，shmctl是控制共享内存的函数，其功能不只是删除共享内容，但其它的功能没什么用，所以不介绍了。

注意，用root创建的共享内存，不管创建的权限是什么，普通用户无法删除。

用ipcs -m可以查看系统的共享内存，内容有键值（key），共享内存编号（shmid），创建者（owner），权限（perms），大小（bytes）。

用ipcrm -m 共享内存编号，可以手工删除共享内存

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信号量

信号量（信号灯）本质上是一个计数器，用于协调多个进程（包括但不限于父子进程）对共享数据对象的读/写。它不以传送数据为目的，主要是用来保护共享资源（共享内存、消息队列、socket连接池、数据库连接池等），保证共享资源在一个时刻只有一个进程独享。

semget函数

semget函数用来获取或创建信号量，它的原型如下：

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

semctl函数

该函数用来控制信号量（常用于设置信号量的初始值和销毁信号量），它的原型如下：

int semctl(int semid, int sem_num, int command, ...);

semop函数

该函数有两个功能：1）等待信号量的值变为1，如果等待成功，立即把信号量的值置为0，这个过程也称之为等待锁；2）把信号量的值置为1，这个过程也称之为释放锁。

int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

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多线程

和多进程相比，多线程是一种比较节省资源的多任务操作方式。

启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，每个进程都有自己的堆栈段和数据段，系统开销比较高，进行数据的传递只能通过进行间通信的方式进行。

在同一个进程中，可以运行多个线程，运行于同一个进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享全局变量和对象，启动一个线程所消耗的资源比启动一个进程所消耗的资源要少。

创建线程

在Linux下，采用pthread_create函数来创建一个新的线程，函数声明：

函数声明：

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);

参数thread为为指向线程标识符的地址。

参数attr用于设置线程属性，一般为空，表示使用默认属性。

参数start_routine是线程运行函数的地址，填函数名就可以了。

参数arg是线程运行函数的参数。新创建的线程从start_routine函数的地址开始运行，该函数只有一个无类型指针参数arg。若要想向start_routine传递多个参数，可以将多个参数放在一个结构体中，然后把结构体的地址作为arg参数传入，但是要非常慎重，程序员一般不会这么做。

在编译时注意加上-lpthread参数，以调用静态链接库。因为pthread并非Linux系统的默认库。

线程的终止

 如果进程中的任一线程调用了exit，则整个进程会终止，所以，在线程的start_routine函数中，不能采用exit。

线程的终止有三种方式：

1）线程的start_routine函数代码结束，自然消亡。

2）线程的start_routine函数调用pthread_exit结束。

3）被主进程或其它线程中止。

pthread_exit函数的声明如下：

void pthread_exit(void *retval);

参数retval填空，即0。

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线程同步

对多线程来说，资源是共享的，基本上不存在不允许访问的情况，但是，共享的资源在某一时间点只能有一个线程占用，所以需要给资源加锁。

线程的锁的种类有互斥锁、读写锁、条件变量、自旋锁、信号灯。

互斥锁

互斥锁机制是同一时刻只允许一个线程占有共享的资源

初始化锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

阻塞加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

非阻塞加锁

int pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t *mutex);

解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *mutex);

销毁锁（此时锁必需unlock状态，否则返回EBUSY）

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

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协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

C/C++ 语言本身是不能天然支持协程的。

现有的 C++ 协程库均基于两种方案：利用汇编代码控制协程上下文的切换，以及利用操作系统提供的 API 来实现协程上下文切换。