Linux

Linux 内存管理

• 32位系统虚拟内存空间: 4GB（通常是被分隔成多个物理内存碎片），其中内核空间占用1GB（高地址），用户空间占用3GB（低地址）。
• 用户空间布局:
  • 栈（Stack）: 从高地址向低地址增长，存储函数参数、局部变量等。默认大小通常为8MB，但可自定义。
  • 文件映射: 包括动态库、共享内存，位于栈和堆之间。
  • 堆（Heap）: 动态分配的内存区，从低地址向高地址增长。
  • 未初始化数据段（.bss）: 存放未初始化的全局变量和静态变量。
  • 已初始化数据段（.data）: 存放已初始化的全局变量和静态变量。
  • 程序代码段（.text）: 存放可执行代码。
• 分页机制: 每页大小通常为4KB。
• 页表: 实现虚拟地址到物理地址的映射。
• 段页式内存管理: 地址结构包括段号、段内页号和页内位移。

Linux 虚拟内存

概述

• 虚拟内存空间：32位处理器的虚拟内存空间为4GB。
• 进程视角：每个进程认为自己拥有4GB的连续虚拟地址空间，实际上只有部分映射到物理内存。
• 物理内存与外部存储：物理内存中可能会存在碎片，部分内容会存储在外部磁盘上，需要进行数据的交换（页置换）。

虚拟地址与物理地址的映射

• 两次映射：
  1. 映射到虚拟内存空间。
  2. 映射到物理内存空间。
• 责任分配：
  • 硬件部分：存储管理单元 (MMU) 负责将虚拟地址转换为物理地址。
  • 软件部分：操作系统的内存管理模块负责维护和更新页表。

内存分页

• 定义：将虚拟内存和物理内存分成固定大小的块（页），在Linux中每页大小一般为4KB。
• 页表映射：通过页表将虚拟地址转换为物理地址。
• 缺页异常处理：
  • 当访问的虚拟地址没有对应的物理内存时，产生缺页异常。操作系统通过分配物理内存、更新页表来恢复进程运行。

分页的优势

• 减少内存碎片：以页为单位进行内存管理，从而避免小内存块无法使用的问题。
• 提高交换效率：在物理内存不足时，只交换最近未使用的页（页面置换算法，如LRU）。
• 延迟加载：按需加载，程序在需要时才将虚拟内存中的指令和数据加载到物理内存，提高内存利用效率。

虚拟地址到物理地址的映射机制

• 虚拟地址组成：虚拟地址包含页号和页内偏移。
• 页表引用：页号用于索引页表，页表存储物理页的基地址，基地址与页内偏移组合，形成实际的物理地址。

分级页表的缺陷

• 存储需求：32位地址空间（4GB），每页4KB，共有2^20个页。单级页表需要4MB的存储空间，多个进程下存储需求会极大增加。
• 分级设计：分级页表（如二级页表）减少了单进程的页表存储需求。一级页表覆盖全部虚拟空间，二级页表按需创建。

段页式内存管理

• 地址结构：虚拟地址由段号、页号和页内偏移组成。
• 访问流程：
  1. 根据段号访问段表，获取段基地址和段界限。
  2. 根据页号访问页表，获取物理页的基地址。
  3. 将物理页号与页内偏移组合，得到物理地址。
• 成本与效率：虽然段页式内存管理增加了硬件和软件开销，但结合了分段和分页的优点，提高了内存利用率和系统的灵活性。

Linux 信号

• 用途: 用于进程间通信或进程与系统内核通信，通知某个状态改变或系统异常。
• 常用信号:
  • SIGHUP (1): 控制终端挂起或终止。
  • SIGPIPE (13): 写入到读端关闭的管道或socket时产生。
  • SIGURG (23): socket连接上收到紧急数据。

Linux 设计特点

• 多任务（MultiTask）: 支持并发和并行的多个任务执行。
• 对称多处理（SMP）: CPU共享内存和硬件资源，多个CPU地位相等。
• 可执行文件链接格式（ELF）: Linux中可执行文件的存储格式。
• 宏内核（Monolithic Kernel）: 所有系统服务运行在内核态，如文件系统、设备驱动、网络协议等。

I/O 多路复用

• 概念: 在单个线程中处理多个I/O操作。
• 实现方式:
  • select: 最古老的多路复用机制；使用位图表示文件描述符集合。在某些系统中，默认最多监视1024个文件描述符，但这个限制可以通过系统配置进行调整。
  • poll: 使用数组存储文件描述符，理论上没有数量限制。但在处理非常大量的文件描述符时，性能可能会因为数组遍历的成本而受影响。
  • epoll: 仅在Linux系统上可用的I/O多路复用机制。它使用一个事件表和红黑树来管理文件描述符，从而提高了处理大量文件描述符的效率。epoll通过事件通知的方式工作，只在文件描述符状态改变时通知应用程序，减少了不必要的轮询。
• epoll 的优势:
  • 效率高: 直接返回就绪的文件描述符，减少了内核与用户空间的数据复制，提高了数据处理效率。
  • 可扩展性好: 支持的并发连接数量远大于select和poll，适用于高负载环境。
  • 实时性强: 事件驱动机制允许快速响应文件描述符状态的改变。

五种 I/O 模型详解

• 阻塞式 I/O: 进程阻塞等待I/O完成。
• 非阻塞式 I/O: 定期轮询检查I/O是否就绪。
• I/O 多路复用: 使用select/poll/epoll监视多个文件描述符。
• 信号驱动 I/O: 使用信号通知I/O就绪。
• 异步 I/O: 内核负责整个I/O操作，完成后通知进程。

Linux 网络编程模型

• 多进程服务器:
  • 父进程处理连接请求，子进程处理业务逻辑。
  • 需要处理进程间通信和僵尸进程问题。
• I/O 复用服务器:
  • 使用select/poll/epoll同时处理多个连接。
  • 避免了进程创建和切换的开销。
• 多线程服务器:
  • 资源共享更方便，切换开销更小。
  • 需要考虑线程安全和通信问题。

软链接和硬链接对比

• 软链接:
  • 独立文件，包含目标文件路径。
  • 功能: 可链接文件或目录，甚至不存在的文件。
  • 行为: 原文件删除后，链接失效。
  • 使用方式: 可跨文件系统，使用ln -s命令创建。
• 硬链接:
  • 共享inode，与原文件共享同一个inode。
  • 功能: 只能链接同一文件系统内的文件，不能链接目录。
  • 行为: 原文件删除不会影响硬链接文件的使用。
  • 使用方式: 使用ln命令创建，增加文件的链接计数。

中断和异常

• 中断: 外部事件触发，如硬件设备中断、时钟中断。
• 异常: 内部事件触发，如程序错误、地址越界、运算溢出。
• 处理: 都会导致处理器暂停当前任务，执行相应的处理程序。

用户态和核心态

• 用户态:
  • 特征: 进程只能访问受限资源，不能直接访问硬件。
• 核心态:
  • 特征: 可以执行特权指令，访问所有资源。
• 切换场景: 系统调用、异常和中断。

并行和并发

• 并行: 同时执行多个任务，需要多个处理单元。
• 并发: 在同一时间段内交替执行多个任务，可在单个处理单元上实现。

孤儿进程和僵尸进程

• 孤儿进程:
  • 定义: 父进程先于子进程退出。
  • 处理: 被init进程（PID 1）收养。
• 僵尸进程:
  • 定义: 子进程退出但父进程未回收其状态信息。
  • 影响: 仍占用系统资源（进程表项）。