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Linux 操作系统

进程与线程

在现代操作系统中，进程、线程和虚拟地址是支撑高效执行、内存管理与资源隔离的三大核心概念。它们相互配合，共同保证系统的稳定性、安全性与并发性能。

进程：资源隔离与调度的基本单位

概念

  • 进程：正在运行的程序实例，拥有独立的地址空间、数据段、堆与栈，以及各类系统资源（文件描述符、信号、IPC 对象等）。

创建与执行

  • 创建：Linux 中通过 fork() 复制父进程，再用 exec() 系列函数加载新程序。

    • fork()——复制当前进程

      父进程调用 fork()，内核在后台复制出一个“子进程”，这个子进程和父进程几乎一模一样（地址空间、打开的文件描述符等都拷贝或共享）。

    • execve()（或其它 exec* 系列函数）——在子进程里加载新程序

      子进程中立即调用 execve("/path/to/newprog", argv, envp)，内核就会丢弃掉原来的地址空间，把可执行文件 /path/to/newprog 映射进来，初始化全新的代码段、数据段、堆栈，真正运行“一个全新的进程镜像”。

  • 调度：内核调度器（scheduler）负责分配 CPU 时间片，维护多任务并发运行。

进程间通信（IPC）

由于进程地址空间独立，IPC 机制尤为重要：

方式场景优势注意点
管道（Pipe）父子进程简单、快速仅限亲缘进程，单向
命名管道任意本地进程双向、可见文件系统性能略低
消息队列异步通信支持优先级、可靠传输大量小消息时开销增大
共享内存大块数据交换零拷贝、高吞吐需同步机制（锁、信号量）
套接字（Socket）本地／跨网络进程灵活、多协议网络开销相对较大
信号（Signal）异步通知轻量级、实时性好数据传输能力有限

IPC（进程间通信，Inter-Process Communication） 是指在操作系统中，不同进程之间为交换数据或进行同步而提供的一系列机制。

由于操作系统给每个进程分配了独立的地址空间，直接读写对方内存是不被允许的，IPC 就是为了解决“进程如何安全、高效地互相协作”而产生的。

线程：轻量级执行流与并行处理

概念

  • 线程：依附于进程的执行单元，共享进程的地址空间和大部分资源，但拥有各自的寄存器上下文和栈。

创建与管理

  • Linux 实现：基于 clone() 系统调用；POSIX 线程库（pthread）提供了更友好的 API。
  • 切换开销：比进程轻量，适用于高并发场景。

并发挑战

  • 竞态条件：无同步的并发访问可能导致数据不一致。
  • 死锁：多线程间相互等待锁时出现永久阻塞。
  • 活锁与饥饿：线程过度谦让或被长期剥夺执行机会。

示例（Rust 风格伪代码）：

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let counter = Arc::new(Mutex::new(0));
let handles: Vec<_> = (0..10).map(|_| {
    let c = Arc::clone(&counter);
    thread::spawn(move || {
        let mut num = c.lock().unwrap();
        *num += 1;
    })
}).collect();
for h in handles { h.join().unwrap(); }
println!("Result: {}", *counter.lock().unwrap());

虚拟地址：抽象内存与安全保护

概念

  • 虚拟地址：操作系统为每个进程提供的连续逻辑地址空间，与物理内存无直接一一映射。

管理机制

  1. 分页（Paging）

    • 页大小：通常 4 KB，也有大页（2 MB/1 GB）。
    • 多级页表：如 x86_64 的 4 级页表，减少内存占用。

  2. 地址转换

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    虚拟地址 = [页目录索引][页表索引][页内偏移]
物理地址 = 页框号 + 偏移
    • 通过 MMU 与 TLB 快速完成转换。

  3. 保护与优化

    • 访问权限：读/写/执行标志。
    • 用户/内核隔离：防止越权访问。
    • 写时复制（COW）：延迟复制，降低 fork 开销。

能当做 IPC 吗？

  • 虚拟地址本身不共享，不能直接跨进程使用。
  • 共享内存 或 mmap(MAP_SHARED) 是利用虚拟地址“映射”同一段物理页到不同进程，从而实现高效的 IPC。
  • 你只需要在各自进程里拿到映射后自己的虚拟指针，就能像访问本地内存一样进行读写。

协程：更轻量的用户态并发

概念

  • 协程（Coroutine）：用户态的轻量级执行单元，又称“微线程”或“纤程”。它在单线程内通过显式的调度点（yield）实现多任务切换，无需内核参与。

特点

特性线程协程
调度内核调度（抢占式）用户态调度（协作式）
上下文切换开销高（进入内核，保存/恢复寄存器、内核栈）低（仅保存/恢复少量寄存器和用户栈指针）
通信共享内存需锁、IPC函数调用/Channel/队列 等
并发规模受限于内核线程数数万乃至数十万轻松支持

调度模型

  • 协作式：运行到显式 yield 或 await 才切换，开发者可精确控制切换点。
  • 预emptive（部分语言支持）：语言运行时定期打断协程，但大多数主流实现（如 Python、Go）采用协作式。

常见实现

  • Go：goroutine + M:N 调度，M 代表系统线程，N 代表用户协程，由 runtime 自动分配。
  • Python：async def + await，基于事件循环（asyncio）或第三方库（如 Trio、Curio）。
  • Rust：async/await + Futures + executor（如 Tokio、async-std），通过状态机驱动。
  • JavaScript：基于事件循环的 Promise + async/await，单线程协程模型。

应用场景

  • 高并发 I/O：Web 服务器、爬虫、网络代理等，常用事件驱动 + 协程模型实现百万级并发。
  • 异步任务流：管道化处理、大量小任务的并行调度。
  • 可控并发：无需锁或细粒度锁，简化并发控制。

四者对比与协同

模型调度方式切换开销共享资源适用场景
进程内核（抢占）最大无（需 IPC）资源隔离、强隔离需求
线程内核（抢占）较大共享进程资源CPU 并行、I/O 并发
协程用户（协作）最小共享线程资源海量并发 I/O、异步流程
虚拟地址——————为进程/线程/协程提供统一内存抽象
  • 进程： 是资源分配的基本单位，每个进程都有独立的内存空间（代码段、数据段、堆栈等），提供最强隔离。
  • 线程： 是 CPU 调度的基本单位，属于进程，一个进程可以包含多个线程。共享进程的内存空间和资源（文件句柄、数据段等）在同一地址空间内并行。
  • 协程： 在单线程内更高效地调度。
  • 虚拟地址： 是上述模型的基础，屏蔽物理内存复杂性并提供保护。

应用场景选型

场景建议方案
资源隔离优先对安全或稳定性要求极高的组件，首选进程
并行计算CPU 密集任务可用多进程或多线程
高并发 I/O首选协程框架，结合事件驱动（如 epoll、kqueue）
混合模式Web 服务常用 “多进程 + 协程” 的组合：进程隔离，协程高并发

总结

  • 进程、线程 和 协程 是三种层次不同的并发单元，各自有取舍。
  • 虚拟地址 为它们提供了统一、隔离且安全的内存视图。
  • 在实际系统设计中，合理组合使用，才能兼顾隔离性、并发性与性能，打造高性能、高可靠的应用架构。

进程调度算法

非抢占式调度

  1. 先来先服务（FCFS）

    • 原理：按进程到达就绪队列的先后顺序依次调度，类似队列排队。
    • 优点：简单易实现；无饥饿。
    • 缺点：平均等待时间不一定最短，易出现“短作业后面跟长作业”拖慢整体效率。

  2. 短作业优先（SJF）／最短剩余时间优先（SRTF）

    • SJF（非抢占）：每次选择执行时间最短的作业；
    • SRTF（抢占）：新作业到达时，如果其所需时间比当前剩余时间短，则抢占。
    • 优点：能最小化平均等待时间；
    • 缺点：需要准确估计执行时间；可能导致长作业“饥饿”。

  3. 优先级调度（Priority）

    • 原理：为每个进程分配优先级，优先级高的先执行；可抢占或非抢占。
    • 优点：满足关键任务优先执行；
    • 缺点：低优先级可能长时间得不到调度（饥饿），需用“优先级老化”机制解决。

抢占式调度

  1. 时间片轮转（Round Robin，RR）

    • 原理：给每个进程分配固定长度的时间片，时间片用完即切换到下一个进程，循环往复。
    • 优点：响应时间可控，适合交互式系统；无进程饥饿。
    • 缺点：时间片大小需平衡，过大接近 FCFS，过小切换开销大。

  2. 多级队列调度（Multilevel Queue）

    • 原理：将进程按类型（交互式、批处理、系统进程等）分到多个队列，不同队列使用不同算法和优先级。
    • 优点：可针对性地优化不同类型作业；
    • 缺点：队列间切换策略固定，灵活性较差。

  3. 多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）

    • 原理：允许进程在不同优先级队列间动态升降，根据其执行特性（CPU 密集或 I/O 密集）调整优先级。
    • 优点：兼顾短作业和长作业，能自动提升响应性；
    • 缺点：参数（队列数、时间片长度、反馈规则）较多，需要调优。

现代与实时调度

  1. 最早截止时间优先（EDF, Earliest Deadline First）

    • 应用：实时系统
    • 原理：总是选择截止时间最早的任务执行，可抢占。
    • 优点：理论上能在系统总利用率 ≤100% 时保证所有任务准时完成；
    • 缺点：需要精确的任务截止时间。

  2. 率先最小周期优先（RMS, Rate Monotonic Scheduling）

    • 应用：实时系统，周期性任务
    • 原理：周期短（率高）的任务优先级高；
    • 优点：简单固定优先级；
    • 缺点：在高利用率下不能保证可调度（理论上利用率上限 ≈69%）。

  3. Linux 完全公平调度器（CFS, Completely Fair Scheduler）

    • 应用：通用 Linux 桌面/服务器
    • 原理：用虚拟运行时间（vruntime）衡量每个任务已经“拿过”的 CPU 时间，优先选择 vruntime 最小者执行。
    • 优点：可以在多任务间实现近似理想的公平；
    • 缺点：算法复杂度高于传统调度，切换开销略大。

选择与权衡

  • 交互式系统（桌面应用、Web 服务器）：优先 RR、Multilevel Feedback Queue、CFS
  • 批处理系统（后台任务、科学计算）：可选 SJF/SRTF、Multilevel Queue
  • 实时系统（控制、嵌入式）：EDF、RMS
  • 混合场景：多级反馈队列 + 结合优先级老化保证低优先级可执行
算法抢占优点缺点
FCFS否简单易实现，无饥饿平均等待时间高
SJF / SRTF可选最小化平均等待时间需估计运行时长；长期作业易饥饿
Priority可选可满足关键任务优先需防止低优先级饥饿
Round Robin是响应时间可控，无饥饿时间片选取需平衡；频繁切换开销大
Multilevel Queue可选针对不同类型作业优化队列间固化策略；灵活性差
Multilevel Feedback是自适应调度，兼顾短/长作业参数调优复杂
EDF / RMS（实时）是实时可调度保证需准确的任务参数
CFS是理想公平，适合通用场景实现复杂，切换开销略大
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