深度Linux

线程，作为进程内的执行单元，可以理解为进程这个大舞台上的一个个小舞者，各自有着独立的舞步（执行路径），却又共享着舞台的资源（进程资源）。与进程相比，线程更加轻量级。进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，拥有独立的地址空间、内存、文件描述符等资源 ，进程间的切换开销较大。而线程则是共享所属进程的资源，它们之间的切换开销相对较小，就像在同一个舞台上不同舞者之间的快速换位，无需重新搭建整个舞台。线程的这些特点，使得多线程编程在提升程序执行效率上有着独特的优势。

多核处理器，简单来说，就是在一个芯片上集成多个独立的计算核心，每个核心都能独立执行任务。这就好比一支拥有多个成员的团队，每个成员都能各司其职，同时处理不同的事务，大大提高了整体的工作效率。与传统单核处理器相比，多核处理器在处理多任务时优势明显。当我们在电脑上同时打开多个应用程序，如浏览器、文档编辑软件、音乐播放器等，多核处理器可以让每个应用程序分配到一个或多个核心，实现真正意义上的并行处理，避免了单核处理器时代的任务 “排队等待” 现象，使得系统响应更加迅速，用户体验得到极大提升。

在计算机科学的璀璨星空中，数据结构是一颗耀眼的明星，它是计算机存储、组织数据的巧妙方式，如同建筑中的蓝图，规划着数据的布局与管理。简单来说，数据结构就是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合，它涵盖了数据的逻辑结构、物理结构以及相关的操作运算。数据结构主要分为线性结构和非线性结构。线性结构中的数据元素呈现出一对一的线性关系，如同一条整齐排列的队伍，数组、链表、栈和队列等都属于这一范畴；非线性结构则更为复杂，元素之间存在一对多或多对多的关系，像是一张错综复杂的关系网，树和图就是典型的非线性结构。

在日常生活中，我们常常会遇到排队的场景。比如在超市结账时，顾客们会在收银台前依次排队等待结账。在这个过程中，收银员会按照排队的顺序为顾客服务，这就是一种简单的调度方式。而在 Linux 操作系统中，也存在着类似的调度机制，它负责管理系统中的进程，决定哪个进程可以获得 CPU 资源并运行。进程是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。在单处理器系统中，同一时刻只有一个进程能够在 CPU 上运行，就像只有一个收银员为顾客服务一样。

在 Linux 进程编程中，当我们需要让一个进程去执行另一个不同的程序时，就会用到exec函数族。exec函数族的功能是用一个新的程序替换当前进程的正文段、数据段、堆段和栈段，使得当前进程从新程序的入口点开始执行。简单来说，就像是把进程原本运行的程序 “替换” 成了另一个程序，就如同给一个机器人换上了全新的 “大脑”（程序），让它执行新的任务。需要注意的是，exec函数族并不会创建新的进程，进程的 PID 在执行exec前后保持不变。

io_uring 是一个Linux内核提供的高性能异步 I/O 框架，最初在 Linux 5.1 版本中引入。它的设计目标是解决传统的异步 I/O 模型（如epoll或者 POSIX AIO）在大规模 I/O 操作中效率不高的问题。在传统的 Linux I/O 操作中，存在一些性能瓶颈。例如，系统调用的开销较大，同步 I/O 操作会导致线程在等待 I/O 完成时被阻塞，浪费了 CPU 资源。随着对高性能、高并发服务器和应用程序的需求不断增加，需要一种更高效的 I/O 处理机制。

零复制（英语：Zero-copy；也译零拷贝）技术是指计算机执行操作时，CPU不需要先将数据从某处内存复制到另一个特定区域。这种技术通常用于通过网络传输文件时节省CPU周期和内存带宽。零拷贝字面上的意思包括两个，“零”和“拷贝”：“拷贝”：就是指数据从一个存储区域转移到另一个存储区域。“零” ：表示次数为0，它表示拷贝数据的次数为0。零拷贝指在进行数据 IO 时，数据在用户态下经历了零次 CPU 拷贝，并非不拷贝数据。

1.1概述Linux内核中，进程（Process）是最基本的执行实体，它代表了正在执行的程序的实例。进程调度在操作系统中处于核心地位，是操作系统实现多任务处理的关键机制。它就如同乐队的指挥，确保各个进程在有限的 CPU 资源下有序地执行。在现代计算机系统中，往往有多个进程同时竞争 CPU 资源。如果没有有效的进程调度，系统可能会陷入混乱，导致某些进程长时间占用 CPU，而其他进程无法得到执行机会。

进程调度是操作系统中非常重要的一部分，它决定了哪些进程能够获得‌CPU的使用权。进程调度策略可以分为三种：‌高级调度、‌中级调度和‌低级调度。高级调度（作业调度）决定哪些作业可以进入内存运行；中级调度（内存调度）决定哪些进程可以在内存和磁盘之间对换；低级调度（进程调度）决定哪个就绪进程可以获得CPU的使用权。进程调度的基本状态‌：在进程的生命周期中，存在三种基本状态：就绪状态、执行状态和阻塞状态。就绪状态表示进程已经准备好运行，但需要等待CPU资源；执行状态表示进程正在使用CPU执行任务；

在 Linux Kernel 中，x86-64 系统调用占据着至关重要的地位。系统调用是用户空间程序与内核进行交互的主要机制。与普通函数调用相比，存在着显著的区别。首先，普通函数调用是直接调用，比如在代码中一个函数调用另一个函数，对应的机器指令是 call 指令，直接跳转到被调函数的第一条机器指令所在的内存地址继续执行。而系统调用是间接调用，使用 syscall 指令时，需将系统调用的序号写入 rax 寄存器，CPU 通过读取 rax 寄存器的值确定调用哪个内核函数。其次，在执行指令时模式切换不同。

RCU，即 Read - Copy - Update，从字面上看，它的操作似乎仅包含读取、复制和更新三个简单步骤，但实际机制远比这复杂。它专为读多写少的场景而设计，核心思想是允许读操作无锁并发执行，极大地提升读操作的效率。对于写操作，它则采用了一种独特的策略：先复制数据，在副本上进行修改，待所有读操作完成后，再将新副本替换旧数据。在 RCU 机制中，读取共享数据结构的操作是无锁的，因此读取操作可以并发进行，不会相互干扰。

在多线程编程的领域中，死锁是一个让人头疼不已的问题。简单来说，死锁就是多个线程因为互相争夺资源，而陷入一种无限期的等待状态，导致所有线程都无法继续执行。就好比两个人过独木桥，独木桥一次只能容纳一个人通过，这两个人同时上了桥，一个从左边往右边走，另一个从右边往左边走，走到桥中间时，谁也不愿意退回去让对方先过，于是就僵持在那里，谁都无法到达对岸，这就是死锁在现实生活中的生动写照。在程序里，死锁通常发生在多个线程需要获取多个共享资源的时候。比如，线程 A 持有资源 1，并且想要获取资源 2；

在 Linux 系统中，进程间通信至关重要。不同的进程通常拥有独立的虚拟地址空间，这保证了进程的独立性，但也使得进程间无法直接通信。为了解决这个问题，Linux 内核提供了多种进程间通信方式。数据传输：一个进程可能需要将数据发送给另一个进程。例如，在分布式计算环境中，不同的计算节点可能需要相互传递数据以完成复杂的任务。共享数据：多个进程可能希望操作共享的数据。当一个进程修改了共享数据时，其他共享该数据的进程应能立即看到这个变化。这在多线程编程或并行计算中非常常见，能够提高系统的效率和协同工作能力。

无锁队列（Lock-Free Queue）是一种并发数据结构，用于在多线程环境下实现高效的数据交换。与传统的基于锁的队列相比，无锁队列使用了一些特殊的算法和技术，避免了线程之间的互斥操作，从而提高了并发性能和响应性。无锁队列通常基于原子操作（atomic operations）或其他底层同步原语来实现，并且它们采用一些巧妙的方法来确保操作的正确性。主要思想是通过使用原子读写操作或类似的机制，在没有显式锁定整个队列的情况下实现线程安全。

进程调度是操作系统最重要的内容之一，也是学习操作系统的重点和难点。关于进程调度，我们首先就会问出一些问题，什么是进程调度，为什么要进程调度，如何进行调度。下面我们用一幅图把这些问题关联起来：这张图把进程调度的所有问题和知识点都关联了起来，本文后面所有的内容都是对这张图的解释和扩展延伸，下面让我们来一一讲解。⑴什么是调度什么是调度？调度是CPU资源管理器。操作系统的作用之一就是系统资源管理器。CPU是计算机系统中最重要的资源，当然也要管理。所有进程的运行都需要CPU，对CPU该如何管理呢？

Linux 的信号机制作为进程间通信的重要方式，发挥着关键作用。它本质上是一种软件中断，能够异步地通知进程发生了特定事件。信号的全称为软中断信号，简称软中断，在头文件<signal.h>中定义了 64 种信号，这些信号的名字都以SIG开头，且都被定义为正整数，称为信号编号。可以用 “kill -l” 命令查看信号的具体名称。其中，编号为 1~31 的信号为早期 Linux 所支持的信号，是不可靠信号（非实时的），编号为 34~63 的信号时后来扩充的，称为可靠信号（实时信号）。

在 Linux 内核的文件系统中，缓冲区是位于内存中的一块数据区域，它就像是一个临时的 “数据仓库” ，用于临时存储数据。当我们进行文件操作时，无论是读取文件内容还是写入数据，数据并不会直接在文件和磁盘之间传输，而是先经过缓冲区这个 “中转站”。从本质上来说，缓冲区是文件系统与块设备（如硬盘、固态硬盘等）之间的桥梁，它的存在使得数据的传输和处理更加高效。在 Linux 内核的源代码中，我们可以找到与缓冲区相关的数据结构和操作函数。

Linux 时间子系统是管理和维护系统时间的软件和硬件组件集合，对计算机系统运行和应用程序至关重要。Linux 时间子系统包括时钟驱动程序、时钟中断处理程序、系统时间管理程序、时钟同步协议等。其中，RTC（Real Time Clock，实时时钟）子系统是 Linux 内核中的一个重要部分，用于管理和操作硬件上的实时时钟。实时时钟通常是一块独立的硬件设备，即使系统处于关机状态也能保持运行，为系统提供精确的时间信息。

自旋锁是为了在多处理系统（SMP）设计，实现在多处理器情况下保护临界区。在 Linux 内核中，自旋锁通常用于包含内核数据结构的操作，保证操作的原子性。自旋锁最初是为了在多处理系统（SMP）设计，实现在多处理器情况下保护临界区。自旋锁的实现是为了保护一段短小的临界区代码，保证这个临界区的操作是原子的。在 Linux 内核中，自旋锁通常用于包含内核数据结构的操作 (如 wait_queue 等)，用于保证操作内核中的数据结构的原子性。

进程是正在运行的程序实例，在 Linux 内核中，进程被称为任务，有多种特殊形式，如内核线程和用户线程等。进程是一个程序的执行实例，也就是正在执行的程序。在操作系统的眼里，进程是一个担当分配系统资源（CPU 时间、内存）的实体。操作系统用一个进程控制块的数据结构（进程属性的集合）来描述进程信息，在 Linux 操作系统下的 PCB 是 task_struct，程序运行时它会被装载到 RAM 里来储存进程信息。

Linux这片充满无限可能的操作系统天地里，进程间通信犹如一条隐秘而强大的纽带，将一个个独立运行的进程紧密相连，编织出复杂而精妙的软件生态网络。想象一下，在一个庞大的 Linux 系统中，众多进程如同忙碌的小工匠，各自专注于特定的任务。有的进程负责处理用户输入，有的在后台默默管理着系统资源，还有的在进行复杂的数据运算。然而，若没有进程间通信，这些进程就只是孤立的个体，无法协同工作，整个系统也将陷入混乱与低效。进程间通信赋予了进程们相互交流、共享信息、协调行动的能力。它让数据能够在不同的进程空间中自由穿梭，使

Linux内核主要由五大子系统组成：进程调度、内存管理、虚拟文件系统（VFS）、网络接口和进程间通信。进程调度：负责控制进程对CPU的访问。内存管理：负责为所有进程分配内存，管理虚拟内存和物理内存。虚拟文件系统：提供了一个标准的接口，用于访问不同的文件系统类型。网络接口：提供了网络通信的抽象模型，包括网络协议栈。进程间通信：管理不同进程之间的消息传递。Linux 内核的五大子系统虽各自独立，但相辅相成，共同构成了 Linux 操作系统的核心。

进程是执行中的程序，为提高 CPU 利用率和改善系统响应时间而出现。它是操作系统提供的一种抽象，通过并发执行来提高系统利用率。计算机的基本功能是计算，而进行计算的关键部件是 CPU，CPU 能够按照一定的顺序进行正确计算是在操作系统的控制之下完成的。操作系统对 CPU 进行管理的重要手段就是进程模型。进程是操作系统演化过程中的一个里程碑，由于进程的出现，人类希望的并发从理想变为了现实。从根本上说，进程出现的动机是人类渴望的并发。进程就是进展中的程序，或者说进程是执行中的程序。

进程调度是操作系统最重要的内容之一，也是学习操作系统的重点和难点。关于进程调度，我们首先就会问出一些问题，什么是进程调度，为什么要进程调度，如何进行调度。下面我们用一幅图把这些问题关联起来：这张图把进程调度的所有问题和知识点都关联了起来，本文后面所有的内容都是对这张图的解释和扩展延伸，下面让我们来一一讲解。⑴什么是调度什么是调度？调度是CPU资源管理器。操作系统的作用之一就是系统资源管理器。CPU是计算机系统中最重要的资源，当然也要管理。所有进程的运行都需要CPU，对CPU该如何管理呢？

进程调度是操作系统最重要的内容之一，也是学习操作系统的重点和难点。关于进程调度，我们首先就会问出一些问题，什么是进程调度，为什么要进程调度，如何进行调度。下面我们用一幅图把这些问题关联起来：这张图把进程调度的所有问题和知识点都关联了起来，本文后面所有的内容都是对这张图的解释和扩展延伸，下面让我们来一一讲解。⑴什么是调度什么是调度？调度是CPU资源管理器。操作系统的作用之一就是系统资源管理器。CPU是计算机系统中最重要的资源，当然也要管理。所有进程的运行都需要CPU，对CPU该如何管理呢？

进程是执行中的程序，为提高 CPU 利用率和改善系统响应时间而出现。它是操作系统提供的一种抽象，通过并发执行来提高系统利用率。计算机的基本功能是计算，而进行计算的关键部件是 CPU，CPU 能够按照一定的顺序进行正确计算是在操作系统的控制之下完成的。操作系统对 CPU 进行管理的重要手段就是进程模型。进程是操作系统演化过程中的一个里程碑，由于进程的出现，人类希望的并发从理想变为了现实。从根本上说，进程出现的动机是人类渴望的并发。进程就是进展中的程序，或者说进程是执行中的程序。