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为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel),保证内核的安全,操作系统将虚拟空间划分为两部分:一部分为内核空间,另一部分为
用户空间。
那么操作系统是如何分配空间的?这里就会涉及到内核态和用户态的两种工作状态。
1G: 0 --->内核态
3G: 1 --->用户态
CPU的指令集,是通过0和1 决定你是用户态,还是内核态
计算机的两种工作状态: 内核态和用户态
cpu的两种工作状态:
现在的操作系统都是分时操作系统,分时的根源,来自于硬件层面操作系统内核占用的内存与应用程序占用的内存彼此之间隔离。cp
u通过psw(程序状态寄存器)中的一个2进制位来控制cpu本身的工作状态,即内核态与用户态。
内核态:操作系统内核只能运作于cpu的内核态,这种状态意味着可以执行cpu所有的指令,可以执行cpu所有的指令,这也意味着对
计算机硬件资源有着完全的控制权限,并且可以控制cpu工作状态由内核态转成用户态。
用户态:应用程序只能运作于cpu的用户态,这种状态意味着只能执行cpu所有的指令的一小部分(或者称为所有指令的一个子集),
这一小部分指令对计算机的硬件资源没有访问权限(比如I/O),并且不能控制由用户态转成内核态。
2、进程切换
为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上执行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行,这种行为就被称为进程切换
。
总结:进程切换是很消耗资源的。
3、进程的阻塞
正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由
系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态
的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的。
4、文件描述符fd
文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。
文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上,它是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开
一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述
符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。
5、缓存 I/O
缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,操作系统会将 I/O 的
数据缓存在文件系统的页缓存( page cache )中,也就是说,数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的
缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。用户空间没法直接访问内核空间的,内核态到用户态的数据拷贝。
缓存 I/O 的缺点:
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作,这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。
本文讨论的背景是Linux环境下的network IO。
IO发生时涉及的对象和步骤:
对于一个network IO (这里我们以read举例),它会涉及到两个系统对象,
1、一个是调用这个IO的process (or thread),
2、另一个就是系统内核(kernel)。
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