读书笔记--《程序员的自我修养》第一章：简介

布满荆棘的人生 2022-05-13 04:44 246阅读 0赞

**一、计算机软件体系结构**

**二、操作系统和CPU**  
1、操作系统的功能：提供抽象的接口，管理硬件资源。

2、充分利用CPU的方法  
（1）多道程序利用  
编写一个监控程序，当程序暂时无法使用CPU时，监控程序就把另外的正在等待CPU资源的程序启动，充分利用CPU。  
缺点：程序调度策略太粗糙  
（2)分时系统  
每个程序运行一段时间后都主动让出CPU给其他程序，使得一段时间内每个程序都有机会运行一小段时间。尤其适合交互式的任务。  
（3）多任务系统  
操作系统接管所有的硬件资源，并且本身运行在一个受硬件保护的级别。所有的应用程序都以进程的方式运行在比操作系统权限更低的级别。CPU由操作系统统一进行分配，每个进程根据进程优先级的高低都有机会得到CPU，但是如果运行时间超出了一定的时间，操作系统会暂停该进程，将CPU资源分配给其他等待运行的进程。这种CPU分配方式称为抢占式，OS可以强制剥夺CPU资源并且分配给它认为目前最需要的进程。如果OS分配给每个进程的时间都很短，即CPU在多个进程间快速切换，从而造成很多进程都同时运行的假象。

**三、设备驱动**  
1、驱动程序可以看作是OS的一部分，和OS内核运行在特权级，但它又与OS内核之间有一定的独立性，使得驱动程序有比较好的灵活性。

2、linux文件系统ext2、ext3

3、硬盘的基本存储单位是扇区，每个扇区一般为512字节。每个硬盘往往有多个盘片，每个盘片分两面，每面按照同心圆划分为若干个磁道，每个磁道划分为若干个扇区。比如一个硬盘有2个盘片，每个盘片有65536个磁道，每个磁道有1024个扇区，则该硬盘容量为2\*2\*65536\*1024\*512=128GB。由于每个盘片上同心圆周长不一样，如果按照每个磁道都拥有相同数量的扇区，那么靠近盘面外围的磁道密度肯定比内圈更加稀疏，这样是比较浪费空间的。但是如果不同的磁道扇区数量不同，计算会比较复杂。为了屏蔽这些复杂的硬件细节，现代硬盘普遍使用一种叫做LBA的方式，即整个硬盘中所有的扇区从0开始编号，一直到最后一个扇区，这个扇区叫做逻辑扇区号。

**四、内存分配**  
1、内存分配问题  
（1）地址空间不隔离  
所有程序直接访问物理地址，程序使用的内存空间不是隔离的，恶意程序会很容易改写其他程序的内存数据，达到破坏  
（2）内存使用效率低  
运行一个程序时，需要将整个程序装入内存中然后开始执行。如果要突然运行一个程序，但是内存空间已经不够了，这时候我们就需要将其他程序重新装入磁盘，等到用的时候再读回来。这样大量数据换入换出，导致效率低下。  
（3）程序运行地址不确定  
因为程序每次需要装入运行时，我们都需要给它从内存中分配一块足够大的空闲区域，这个空虚区域的位置是不确定的，给程序的编写造成了一定的麻烦。这将涉及到重定位问题

2、解决问题  
（1）针对这个问题，引入虚拟地址的概念。  
（2）分段  
![这里写图片描述][70]  
分段有效解决了（1）（3）两个问题，因为它不需要关心分配到物理地址的哪一个区域，只需要按照虚拟地址0x,,,~0x…来编写程序即可。但是其无法解决效率低的问题，因为如果内存不足，被换入到磁盘的都是整个程序，这样势必会造成大量的磁盘访问操作，从而严重影响速度。事实上，根据程序的局部性原理，当一个程序在运行时，在某个时间段内，它只是频繁地用到了一小部分数据，也就是说，程序地很多数据其实在一个时间段内都是不会被用到的！因此人们想到了粒度更小的内存分割和映射方法，使得程序的局部性原理得到充分利用，大大提高了内存的使用率。这种方法就是分页。

（3）分页  
每一页的大小由硬件决定，或硬件支持多种大小的页，由OS选择决定页的大小。目前几乎所有的PC上的OS都使用4KB大小的页。  
虚拟存储的实现需要依靠硬件的支持，对于不同的CPU来说是不同的。但是几户所有的硬件都采用一个叫做MMU的部件来进行页映射。  
![这里写图片描述][70 1]  
在页映射下，CPU发出的是virtual address，即我们的程序看到的是虚拟地址，经过MMU转换以后就变成了physical address。一般MMU集成在CPU内部了，不会以独立的部件存在。

**五、线程**  
1、线程，或轻量级进程（LWP）是程序执行流的最小单元。通常，一个进程由一个到多个线程组成，各个线程之间共享程序的内存空间（包括代码段、数据段和堆段）及一些进程级的资源（如打开文件和信号）。

2、线程的访问权限  
线程的访问非常自由，它可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他线程的堆栈（如果它知道其他线程的堆栈地址，那么这就是很少见的情况），但实际中线程也有自己的私有存储空间。包括栈、线程局部存储（TLS）、寄存器（是执行流的基本数据，因此为线程私有）  
![这里写图片描述][70 2]

3、线程的调度和优先级  
当线程数量小于处理器数量时，线程的并发是真正的并发，不同的线程运行在不同的处理器上，彼此不相干。但是对于线程数量大于处理器数量的情况，线程的并发会受到一些阻碍，因为此时至少有一个处理器会运行多个线程。这样也给不断在处理器上切换不同的线程的行为称之为线程调度。  
![这里写图片描述][70 3]  
我们一般把频繁等待的线程称之为IO密集型线程，把很少等待的线程称为CPU密集型线程。  
在优先级调度下，存在一种饿死的现象。线程的优先级改变一般有三种方式。  
（1）用户指定优先级  
（2）根据进入等待状态的频繁程度提升或降低优先级  
（3）长时间得不到执行而被提升优先级

4、Linux多线程  
Linux内核中并不存在真正意义上的线程概念。Linux将所有的执行实体都称为任务。每一个任务概念上都类似于一个单线程的进程，具有内存空间、执行实体、文件资源等。不过，Linux下不同任务之间可以选择共享内存空间，因此共享了同一个内存空间的多个任务构成了一个进程，这些任务也就成了这个进程里的线程。  
在Linux下，用以下方法可以创建一个新任务。  
![这里写图片描述][70 4]  
fork函数产生一个和当前进程完全一样的新进程，并和当前进程一样从fork函数里返回。其中本任务的fork将返回新任务的pid，而新任务的fork将返回0。  
![这里写图片描述][70 5]

5、线程安全  
为了避免多个线程同时读写同一数据而产生不可预料的后果，需要将各个线程对同一个数据的访问同步。同步既是指在一个线程访问数据未结束的时候，其他线程不得对同一个数据进行访问。这样对数据的访问被原子化了。  
同步最常见的方法是使用锁。  
（1）二元信号量  
是一种最简单的锁，只有两种状态：占用和非占用。它适合只能被唯一一个线程独占的资源。当其处于非占用状态时，第一个试图获取该二元信号量的线程会获得该锁，并将其置为占用状态，此后其他所有试图获取该二元信号量的线程将会等待，直到该锁被释放。

（2）互斥量  
与二元信号量类似，资源仅同时允许一个线程访问，但区别是互斥量要求哪个线程获取了互斥量，哪个线程就要负责释放这个锁，而信号量不是。

（3）临界区  
是比互斥量更加严格的同步手段。它和互斥量和信号量的区别在于，互斥量和信号量在系统的任何进程里都是可见的，即，一个进程创建了一个互斥量或信号量，另一个进程试图获取该锁是合法的。然而，临界区的作用范围仅限于本进程，其他进程无法获得该锁。

（4）读写锁  
适于读取频繁偶尔写入的情况。对于同一个锁，读写锁有两种获取方式，共享的或独占的。  
当锁处于自由的状态时，试图以任何一种方式获取锁都能成功，并将锁置于对应的状态；  
当锁处于共享的状态时，其他线程以共享的方式获取锁仍然会成功，此时这个锁分配给了多个线程。然而，当其他线程以独占的方式获取时，它将必须等待锁被所有的线程释放。  
当锁处于独占状态时，将阻止任何其他线程获取该锁，不论他们试图以哪种方式获取。  
![这里写图片描述][70 6]

（5）条件变量  
作为一种同步手段，作用类似于一个栅栏。对于条件变量，线程可以有两种操作，首先线程可以等待条件变量，一个条件变量可以被多个线程等待。其次线程可以唤醒条件变量，此时某个或所有等待条件变量的线程都会被唤醒并继续支持。

6、多线程内部情况  
（1）一对一模型  
一个用户使用的线程唯一对应一个内核使用的线程（反过来不一定）。这时，线程之间的并发是真正的并发。

（2）多对一模型  
多个用户线程映射到一个内核线程上，线程之间的切换由用户态的代码来进行。因此相对一对一模型，多对一模型的线程切换要快速的多。缺点：如果也给用户线程阻塞，那么所有的线程都无法执行，因此此时内核里的线程也阻塞了。

（3）多对多模型  
多对多模型结合了多对一模型和一对一模型的特点，将多个用户线程映射到少数但不止一个内核线程上。在此模型中，一个用户线程阻塞并不会使得所有的用户线程阻塞，因为此时还有别的线程可以被调度来执行。另外，多对多模型对用户线程的数量也没有限制，在多处理器系统上，多对多模型的线程也能得到一定的性能提升，不过提升的幅度不如一对一模型高。

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