从零开始第一期——所有JAVA后端程序员必须充电！！！！深入理解Linux内存管理

Java之所以被程序员们吐槽为入门门槛低，就是因为JVM垃圾回收器帮助管理了JVM内存。但也有一句话，天下没有免费的午餐，吃的时候有多豪横，吃完就有多难受。你真觉得你不用管理内存？那你是想多了，作为后端程序员，JVM你得管，linux你得管，没有一样能跑的掉。

今天我们就从linux源码上走一走linux内存管理。

当然本来我是想把这期做在《细读经典》系列里去过一遍《深入理解linux虚拟内存管理》，但是限于个人精力（还有之前托更了好多东西）先做一个简化版，当然也不算简化版，算是一个比较深入的阐述吧。

前戏

在开始内存之前，我可能要说一些其他东西。

1、进程间通信

（1）管道：进程通过共享管道实现进程通信，实际上就是在物理内存空间内开辟出一段缓存空间。分有名管道和无名管道

无名管道，需要以文件的方式进行操作（读写），而操作文件，就需要文件描述符（fd）进行读写，文件描述符通过调用pipe方法得到（非open方法，一般而言通过调用open方法打开文件获取文件描述符），因为它没有文件名，就无法用open方法得到文件描述符，也正是因为它是一个没有名称的管道文件，所以叫无名管道，且只用于亲缘进程之间的通信（因为没有文件描述符，只能通过亲缘关系传递管道的文件描述符，例如通过fork子进程）。当然，这里的亲缘进程，可以是子进程，孙进程，孙子进程，子子孙孙无穷匮也。

无名管道API

//创建pipe通道, 传入fd数组，其中fd[0]为数据读管道描述符，fd[1]为数据写管道描述符
int pipe(int fd[2]);
//通过管道描述符从管道中读取数据  
ssize_t read(int fd, void * buf, size_t count);  
//通过管道描述符向管道中写入数据
ssize_t write (int fd, const void *buf, size_t count);  
//关闭通道的接口应用
int close(int fd);

有名管道，当然就是有文件名，可以用open函数打开文件，然后用该文件描述符进行管道建立并进行通信。所以很明显，有名管道既可以用于亲缘进程之间的通信，也可以用于非亲缘进程之间的通信。

有名管道API

//用于创建fifo管道的应用实现
int mkfifo (const char *__path, __mode_t __mode);
//打开FIFO管道,获取后续使用的描述符
int open(const char *pathname, int oflag,...);  
//从FIFO管道中读取数据  
ssize_t read(int fd, void * buf, size_t count);  
//向FIFO管道写入数据  
ssize_t write (int fd, const void * buf, size_t count);  
//关闭FIFO管道
int close(int fd);  
//移除FIFO管道
int unlink (const char *__name);  

管道还牵扯到单向通信和双向通信，我就不展开了，现在还用不到

（2）System V IPC（System linux V（罗马字字母）版本的Inter-Process Communication， 人话就是linux第五版本进程间通信）

管道是一种很原始的进程通信方式，早在linux设计之初就存在管道。随着linux版本升级到第五版本，提供了新的进程间通信方式，包含消息队列，信号量和共享内存

消息队列：看API比看文字清晰，msqid作为消息队列标识符，利用msgsnd发送，利用msgrcv接受消息，利用msgctl操作消息队列上的内容，提供删除操作。调用过程就不展开了

消息队列API

//创建消息队列
int msgget(key_t key, int oflg);
//从消息队列里读取数据
ssize_t msgrcv(int msqid, void *ptr, size_t length, long type, int flag);
//创建一个新的消息队列或访问一个已存在的消息队列
int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t length, int flag);
//提供在一个消息队列上的各种控制操作
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buff);

共享内存：还是在物理内存上开辟一段缓存空间，不过与管道不同的是，使用共享内存是通过直接使用地址来共享读写的，而不需要经过系统调用。

共享内存API

//key程序需要提供一个参数key（非0整数），它有效地为共享内存段命名，shmget()函数成功时返回一个与key相关的共享内存标识符（非负整数），用于后续的共享内存函数。调用失败返回-1；
//size以字节为单位指定需要共享的内存容量；
//shmflg是权限标志，它的作用与open函数的mode参数一样
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
//shm_id是由shmget()函数返回的共享内存标识。
//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。
//shm_flg是一组标志位，通常为0。
void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
//参数shmaddr是shmat()函数返回的地址指针，调用成功时返回0，失败时返回-1.
int shmdt(const void *shmaddr);
//shm_id是shmget()函数返回的共享内存标识符。
//command是要采取的操作，它可以取下面的三个值 ：
//IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。
//IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值
//IPC_RMID：删除共享内存段
//buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。
int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);

信号量：java信号量同理，所以比较重要，进程和线程的信号量是对所操作资源的保护。

这里当然要先说以下同步和互斥的关系，互斥是指资源访问的排他性，和访问顺序无关，同步是在互斥的基础上，实现有序访问。

信号量就是指定同一时间能够访问临界区资源的进程的数量。

信号量API看似简单，其实还是很精妙的，在JAVA里，信号量底层是AQS，AQS底层又是一些unsafe类，我之前也有文章讲unsafe类的，传送门：好文笔记——unsafe类_u014783007的博客-优快云博客

//key:一个键值，和消息队列生成键值的方式一样
//nsems:表示信号量集合中信号量的个数
//semflg:一个位掩码
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
//semid:信号量集合的标识符
//semnum:信号量的序号，置0表示忽视该参数
//cmd:指定了相关控制操作
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../*union semun arg*/);

2、用户态和内核态

我们之前一直在说系统调用，包括刚刚在说进程通信时也放了一大堆API，那么系统调用到底是什么呢？

一般而言，程序要不运行在用户态（用户交互），要不运行在内核态（系统调用）。

用户态切换到内核态是在程序申请外部资源（内存条，网卡，声卡，usb等等等等）时进行切换。一般而言，当程序在进行系统调用，或产生中断，或产生异常时就会从用户态向内核态进行切换。

例如读一个文件，我们会调用open创建fd，再用fd去进行write或read的API系统调用。例如我们分配内存时调用malloc，就会调用系统函数brk或mmap进行系统调用；又例如我们常听的缺页中断等等，程序中存在大量的系统调用（当然你映射到JAVA，new对象也是系统调用）。

系统调用，再linux中输入：

man syscalls

会显示所有的系统调用，这块就留个大家自己开发了。

这里我再举个例子，以多路复用IO为例，select和poll在进行系统调用的时候，需要把所有的fd从用户态拷贝到内核态进行遍历，本次调用结束之后，再把fd拷贝回来，而epoll则只需要在第一次进行系统调用的时候拷贝一次所有的fd，之后将用户关系的文件描述符的事件存放到内核的一个事件表中，这样只需要增量维护事件表，从而提升性能。当然epoll还会牵扯到mmap，红黑树（事件链表），等等，还会牵扯到LT，ET效率问题（LT：水平触发，效率会低于ET触发，尤其在大并发，大流量的情况下。但是LT对代码编写要求比较低，不容易出现问题。LT模式服务编写上的表现是：只要有数据没有被获取，内核就不断通知你，因此不用担心事件丢失的情况。 ET：边缘触发，效率非常高，在并发，大流量的情况下，会比LT少很多epoll的系统调用，因此效率高。但是对编程要求高，需要细致的处理每个请求，否则容易发生丢失事件的情况。从本质上讲：与LT相比，ET模型是通过减少系统调用来达到提高并行效率的）。你会发现其实系统函数是一个很有趣的部分，也是更贴近我们理论上所学习的各个模型的。

中断和异常不展开，有兴趣的同学自行脑补。

3、计算机组成原理（简化版）

//TODO

正戏

1、基本概念

2、实现过程

3、底层源码