1. 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?yàn)镃PU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)。

2. 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(jì)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?？捎^的提升。

1.5  操作系統(tǒng)

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。

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(jì)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。

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

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。

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。

1. 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。

2. 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。

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P(yáng)age，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。

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(xiàng)目(4KB)，每個頁目錄項(xiàng)又對應(yīng)1024行頁表項(xiàng)。如下圖所示：

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。

1. 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(xiàng) + 并讀取的一頁數(shù)據(jù)。

2. 使用二級頁表的話需要三次訪問，訪問頁目錄項(xiàng) + 訪問頁表項(xiàng) + 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。

1. Page Global Directory 全局頁目錄項(xiàng)

2. Page Upper Directory 上層頁目錄項(xiàng)

3. Page Middle Directory 中間頁目錄項(xiàng)

4. Page Table Entry 頁表項(xiàng)

5. Offset 偏移量。

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(xiàng)（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。

1. 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。

2. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

1. 邏輯地址：指的是沒被段式內(nèi)存管理映射的地址。

2. 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。

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。

1. 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。

2. 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(xiàng)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?yàn)橛卸嘤脩簦嗳蝿?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。

用戶態(tài)想要使用計(jì)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。

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：

1. 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。

2. 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)。

1. 阻塞掛起：進(jìn)程被寫入硬盤并等待某個事件的出現(xiàn)。

2. 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 :

1. 作為獨(dú)立運(yùn)行基本單位的標(biāo)志

2. 實(shí)現(xiàn)間斷性的運(yùn)行方式

3. 提供進(jìn)程管理所需要的信息

4. 提供進(jìn)程調(diào)度所需要的信息

5. 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：

1. 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：

1. 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。

2. 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。

1. 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。

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

1. 進(jìn)程調(diào)度信息

1. 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)。

2. 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)

3. 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。

4. 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。

1. 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。

1. 線性方式：

1. 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

2. 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)

1. 索引方式：

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

1. 鏈接方式：

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

2. 因?yàn)檫M(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。

1. 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。

2. 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)。

3. 初始化PCB，有如下幾個操作。

1. 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

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

3. 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

1. 如果進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列能接納新進(jìn)程，就將進(jìn)程插入到就緒隊(duì)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。

1. 正常結(jié)束

2. 異常結(jié)束

1. 越界錯：訪問的存儲區(qū)越出該進(jìn)程的區(qū)域

2. 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）

3. 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）

4. 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

5. 運(yùn)行超時：執(zhí)行時間超過指定的最大值

6. 等待超時：進(jìn)程等待某件事超過指定的最大值

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

8. I/O故障

1. 外界干預(yù)

1. 操作員或OS干預(yù)（死鎖）

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

3. 父進(jìn)程終止，所有子進(jìn)程都應(yīng)該結(jié)束

終止過程：

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

2. 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。

3. 若進(jìn)程有子孫進(jìn)程則將其所有子孫進(jìn)程終止。

4. 全部資源還給父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。

5. 該進(jìn)程的PCB從所在隊(duì)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：

1. 請求共享資源失敗，系統(tǒng)無足夠資源分配

2. 等待某種操作完成

3. 新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)（相互合作的進(jìn)程）

4. 等待新任務(wù)

阻塞流程：

1. 找到要被阻塞進(jìn)程標(biāo)識號對應(yīng)的 PCB。

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

3. 將該 進(jìn)程PCB 插入的阻塞隊(duì)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：

1. 從阻塞隊(duì)列找到所需PCB。

2. PCB從阻塞隊(duì)列溢出，然后變?yōu)榫途w狀態(tài)。

3. 從阻塞隊(duì)列溢出該P(yáng)CB然后插入到就緒狀態(tài)隊(duì)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。

1. 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)。

2. 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

1. CPU 利用率

1. CPU利用率 = 忙碌時間 / 總時間。

2. 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。

1. 系統(tǒng)吞吐量

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

2. 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。

1. 周轉(zhuǎn)時間

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

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

3. 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

4. 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)

5. 盡可能使周轉(zhuǎn)時間降低。

1. 等待時間

1. 指的是進(jìn)程在等待隊(duì)列中等待的時間，一般也需要盡可能短。

2. 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

1. 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(duì)列拿等待時間最久的，運(yùn)行完畢后再拿下一個。

2. 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?yàn)闀?dǎo)致進(jìn)程CPU利用率很低。

SJF 算法

1. 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。

2. 跟FCFS正好相反，對長作業(yè)很不利。

SRTN 算法

1. 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。

2. 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

1. 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。

2. 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

1. 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)。

2. 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

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

2. 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。

3. 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

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

2. 系統(tǒng)會同時存在多個就緒隊(duì)列，每個隊(duì)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。

3. 新進(jìn)程會先加入到最高優(yōu)先級隊(duì)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(duì)列。

   多級反饋隊(duì)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?yàn)橐郧霸诙噙M(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)

1. 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。

2. 各個線程之間可以共享地址空間和文件等資源。

缺點(diǎn)

1. 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。

2. 多線程編程，讓人頭大的東西。

3. 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：

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

2. 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：

1. 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

2. 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

3. 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：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

5. CPU分配資源給進(jìn)程，但真正在CPU上運(yùn)行的是線程。

6. 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？

1. 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。

2. 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。

3. 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。

好處：

1. 及時操作系統(tǒng)不支持線程模式也可以通過用戶層庫函數(shù)來支持線程模式，TCB 由用戶級線程庫函數(shù)來維護(hù)。

2. 使用庫函數(shù)模式實(shí)現(xiàn)線程可以避免用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換。

壞處：

1. CPU不知道線程存在，CPU的時間片切換是以進(jìn)程為維度的，某個線程因?yàn)镮O等操作導(dǎo)致線程阻塞，操作系統(tǒng)會阻塞整個進(jìn)程，即使這個進(jìn)程中其它線程還在工作。

2. 用戶態(tài)線程沒法打斷正在運(yùn)行中的線程，除非線程主動交出CPU使用權(quán)。

3.5.4.2 內(nèi)核態(tài)線程

在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的線程，是由內(nèi)核管理的線程，線程對應(yīng)的 TCB 在操作系統(tǒng)里，這樣線程的創(chuàng)建、終止和管理都是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。內(nèi)線程模式下一個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 一個進(jìn)程中某個線程阻塞不會影響其他內(nèi)核線程運(yùn)行。

2. 用戶態(tài)模式一個時間片分給多個線程，內(nèi)核態(tài)模式直接分配給線程的時間片增加。

缺點(diǎn)：

1. 內(nèi)核級線程調(diào)度開銷較大。調(diào)度內(nèi)核線程的代價可能和調(diào)度進(jìn)程差不多昂貴，代價要比用戶級線程大很多。一個線程默認(rèn)棧=1M，線程多了會導(dǎo)致內(nèi)存消耗很大。

2. 線程表是存放在操作系統(tǒng)固定的表格空間或者堆?？臻g里，所以內(nèi)核級線程的數(shù)量是有限的。

3.4.4.3 輕量級進(jìn)程

最初的進(jìn)程定義都包含程序、資源及其執(zhí)行三部分，其中程序通常指代碼，資源在操作系統(tǒng)層面上通常包括內(nèi)存資源、IO資源、信號處理等部分，而程序的執(zhí)行通常理解為執(zhí)行上下文，包括對CPU的占用，后來發(fā)展為線程。在線程概念出現(xiàn)以前，為了減小進(jìn)程切換的開銷，操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)者逐漸修正進(jìn)程的概念，逐漸允許將進(jìn)程所占有的資源從其主體剝離出來，允許某些進(jìn)程共享一部分資源，例如文件、信號，數(shù)據(jù)內(nèi)存，甚至代碼，這就發(fā)展出輕量進(jìn)程的概念。

Light-weight process 輕量級進(jìn)程是內(nèi)核支持的用戶線程，它是基于內(nèi)核線程的高級抽象，系統(tǒng)只有先支持內(nèi)核線程才能有 LWP。一個進(jìn)程可有1~N個LWP，每個 LWP 是跟內(nèi)核線程一對一映射的，也就是 LWP 都是由一個內(nèi)核線程支持。

輕量級進(jìn)程本質(zhì)還是進(jìn)程，只是跟普通進(jìn)程相比LWP跟其他進(jìn)程共享大部分邏輯地址空間跟系統(tǒng)資源，LWP輕量體現(xiàn)在它只有一個最小的執(zhí)行上下文和調(diào)度程序所需的統(tǒng)計(jì)信息。他是進(jìn)程的執(zhí)行部分，只帶有執(zhí)行相關(guān)的信息。

Linux特性：

1. Linux中沒有真正的線程，因?yàn)長inux并沒有為線程準(zhǔn)備特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在內(nèi)核看來只有進(jìn)程而沒有線程，在調(diào)度時也是當(dāng)做進(jìn)程來調(diào)度。Linux所謂的線程其實(shí)是與其他進(jìn)程共享資源的進(jìn)程。但windows中確實(shí)有線程。

2. Linux中沒有的線程，線程是由進(jìn)程來模擬實(shí)現(xiàn)的。

3. 所以在Linux中在CPU角度看，進(jìn)程被稱作輕量級進(jìn)程LWP。

3.5.5 協(xié)程

3.5.5.1 協(xié)程定義

大多數(shù)web服務(wù)跟互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)本質(zhì)上大部分都是 IO 密集型服務(wù)，IO 密集型服務(wù)的瓶頸不在CPU處理速度，而在于盡可能快速的完成高并發(fā)、多連接下的數(shù)據(jù)讀寫。以前有兩種解決方案：

1. 多進(jìn)程：存在頻繁調(diào)度切換問題，同時還會存在每個進(jìn)程資源不共享的問題，需要額外引入進(jìn)程間通信機(jī)制來解決。

2. 多線程：高并發(fā)場景的大量 IO 等待會導(dǎo)致多線程被頻繁掛起和切換，非常消耗系統(tǒng)資源，同時多線程訪問共享資源存在競爭問題。

此時協(xié)程出現(xiàn)了，協(xié)程 Coroutines 是一種比線程更加輕量級的微線程。類比一個進(jìn)程可以擁有多個線程，一個線程也可以擁有多個協(xié)程?？梢院唵蔚陌褏f(xié)程理解成子程序調(diào)用，每個子程序都可以在一個單獨(dú)的協(xié)程內(nèi)執(zhí)行。

3.5.5.2 協(xié)程注意事項(xiàng)

協(xié)程運(yùn)行在線程之上，并且協(xié)程調(diào)用了一個阻塞IO操作，此時操作系統(tǒng)并不知道協(xié)程的存在，它只知道線程，因此在協(xié)程調(diào)用阻塞IO操作時，操作系統(tǒng)會讓線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，當(dāng)前的協(xié)程和其它綁定在該線程之上的協(xié)程都會陷入阻塞而得不到調(diào)度。

因此在協(xié)程中不能調(diào)用導(dǎo)致線程阻塞的操作，比如打印、讀取文件、Socket接口等。協(xié)程只有和異步IO結(jié)合起來才能發(fā)揮最大的威力。并且協(xié)程只有在IO密集型的任務(wù)中才會發(fā)揮作用。

3.6 進(jìn)程通信

進(jìn)程的用戶地址空間是相互獨(dú)立的，不可以互相訪問，但內(nèi)核空間是進(jìn)程都共享的，所以進(jìn)程之間要通信必須通過內(nèi)核。進(jìn)程間通信主要通過管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、信號量、信號、Socket編程。

3.6.1 管道

管道主要分為匿名管道跟命名管道兩種，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向流動性。使用起來很簡單，但是管道這種通信方式效率低，不適合進(jìn)程間頻繁地交換數(shù)據(jù)。

匿名管道：

1. 日常Linux系統(tǒng)中的|就是匿名管道。指令的前一個輸入是后一個指令的輸出。

命名管道：

1. 一般通過mkfifo SoWhatPipe創(chuàng)建管道。通過echo "sw" > SoWhatPipe跟cat < SoWhatPipe實(shí)現(xiàn)輸入跟輸出。

匿名管道的實(shí)現(xiàn)依賴int pipe(int fd[2])函數(shù)，其中fd[0]是讀取斷描述符，fd[1]是管道寫入端描述符。它的本質(zhì)就是在內(nèi)核中創(chuàng)建個屬于內(nèi)存的緩存，從一端輸入無格式數(shù)據(jù)一端輸出無格式數(shù)據(jù)，需注意管道傳輸大小是有限的。

1. 父進(jìn)程關(guān)閉讀取的 fd[0]，只保留寫入的 fd[1]。

2. 子進(jìn)程關(guān)閉寫入的 fd[1]，只保留讀取的 fd[0]。

int socket(int domain, int type, int protocal) 

[sowhat@localhost ~]$ ln [選項(xiàng)] 源文件 目標(biāo)文件
選項(xiàng)：
-s：建立軟鏈接文件。如果不加 "-s" 選項(xiàng)，則建立硬鏈接文件；
-f：強(qiáng)制。如果目標(biāo)文件已經(jīng)存在，則刪除目標(biāo)文件后再建立鏈接文件；

buf = mmap(file, len);
write(sockfd, buf, len);

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
out_fd : 目的文件描述符
in_fd:源文件描述符
offset:源文件內(nèi)偏移量
count:打算復(fù)制數(shù)據(jù)長度 ssize_t:實(shí)際上復(fù)制數(shù)據(jù)的長度

$ ethtool -k eth0 | grep scatter-gather
scatter-gather: on