带网站的图片素材,大二网络营销实训报告,兼职网站建设招聘信息,wordpress导出word1、线程切换进行了哪些动作
在操作系统中#xff0c;线程切换#xff08;也称为上下文切换#xff09;是指操作系统将 CPU 的控制权从一个线程转移到另一个线程的过程。这个过程涉及多个步骤和动作#xff0c;主要包括以下几个方面#xff1a;
1. 保存当前线程的上下文 …1、线程切换进行了哪些动作
在操作系统中线程切换也称为上下文切换是指操作系统将 CPU 的控制权从一个线程转移到另一个线程的过程。这个过程涉及多个步骤和动作主要包括以下几个方面
1. 保存当前线程的上下文
在切换线程之前操作系统需要保存当前线程的状态以便在将来恢复时能够继续执行。这个状态通常包括程序计数器PC指示当前线程执行到哪一条指令。寄存器状态保存 CPU 寄存器的值包括通用寄存器、堆栈指针等。线程状态保存线程的状态信息如运行、就绪、阻塞等
2. 更新线程控制块TCB
每个线程都有一个线程控制块Thread Control Block, TCB用于存储线程的相关信息。在切换线程时操作系统需要更新当前线程的 TCB设置其状态为“就绪”或“阻塞”。更新即将运行的线程的 TCB设置其状态为“运行”。
3. 选择下一个线程
操作系统需要根据调度算法选择下一个要运行的线程。常见的调度算法包括先来先服务FCFS短作业优先SJF时间片轮转Round Robin优先级调度。
4. 加载新线程的上下文
一旦选择了下一个线程操作系统需要加载该线程的上下文包括恢复程序计数器PC的值。恢复寄存器的值。更新堆栈指针等。
5. 更新调度信息
在切换线程后操作系统可能需要更新一些调度信息例如更新 CPU 使用时间更新线程的优先级如果适用。
6. 切换到用户模式
在完成所有上下文切换的准备工作后操作系统将控制权转移到新的线程通常需要切换到用户模式以便线程可以开始执行。
7. 恢复执行
最后操作系统将控制权交给新线程恢复执行。
2、进程的几种状态
新建状态 进程正在被创建。在此状态下操作系统为进程分配资源并初始化其控制块PCB。此时进程尚未被调度执行 就绪状态 进程已准备好执行但尚未获得 CPU 资源。处于就绪状态的进程可以随时被调度执行。操作系统会根据调度算法选择一个就绪进程来运行 运行状态 进程正在 CPU 上执行。在这个状态下进程正在进行实际的计算或操作。一个时刻只能有一个进程处于运行状态在单核 CPU 上 阻塞状态 进程因等待某些事件如 I/O 操作完成、资源可用等而无法继续执行。当进程在运行状态中请求某些资源而无法获得时它会被置于阻塞状态。此时进程无法被调度执行直到等待的事件发 终止状态 进程已经完成执行或被强制终止。在这个状态下进程的所有资源都被释放进程的控制块PCB也被删除。此时进程的执行已经结束。
状态转换
新建 → 就绪进程创建完成准备好执行。就绪 → 运行操作系统调度进程执行。获得CUP执行运行 → 阻塞进程请求的资源不可用进入阻塞状态。运行 → 就绪进程被抢占返回就绪状态。阻塞 → 就绪 等待的事件发生进程返回就绪状态。 运行 → 终止进程执行完成或被终止。
3、软、硬中断
中断是指一种机制用于处理异步事件允许处理器暂停当前执行的任务转而执行其他任务。中断通常分为两种类型软中断和硬中断。硬中断由硬件设备发出异步、不可预测通常用于处理外部事件。软中断由软件程序发出同步、可控通常用于请求操作系统服务
硬中断Hardware Interrupt
定义硬中断是由硬件设备发出的信号通知处理器需要处理某个事件或请求。
来源硬中断通常来自外部设备如键盘、鼠标、网络接口、磁盘驱动器等。例如当用户按下键盘时键盘控制器会发送一个硬中断信号给 CPU通知它有新的输入数据。
特点异步性硬中断是异步的发生的时间不受程序控制。 优先级硬中断通常具有优先级某些设备的中断可能会比其他设备的中断更重要。中断处理当硬中断发生时CPU 会保存当前的执行状态转而执行与该中断相关的中断处理程序Interrupt Service Routine, ISR
示例硬盘完成数据读取、网络数据包到达、定时器溢出等。
软中断Software Interrupt
定义软中断是由软件程序发出的中断信号通常用于请求操作系统执行某些特定的服务或操作。
来源软中断通常由程序通过特定的指令或系统调用触发。例如应用程序可能会通过调用操作系统提供的 API 来请求文件操作、内存分配等服务。
特点同步性软中断通常是同步的发生在程序执行的特定点。控制性程序可以控制何时触发软中断通常用于与操作系统进行交互。中断处理当软中断发生时操作系统会执行相应的处理程序完成请求的服务。
示例系统调用如 fork、exec、异常处理如除零错误等。
4、为什么要有虚拟内存
扩展可用内存虚拟内存允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间。 通过将部分数据存储在磁盘上通常称为交换空间或页面文件操作系统可以让程序认为它拥有更多的内存。这对于运行大型应用程序或多个程序时尤为重要。内存隔离与保护虚拟内存为每个进程提供独立的地址空间。这样可以防止一个进程访问或修改另一个进程的内存数据提高了系统的安全性和稳定性。每个进程只能看到自己的虚拟地址空间操作系统负责将虚拟地址映射到物理地址简化内存管理虚拟内存使得内存管理更加简单和高效。操作系统可以使用分页或分段等技术来管理内存而不必关心物理内存的实际布局。这种抽象使得内存分配和回收变得更加灵活支持多任务处理虚拟内存使得多个进程可以同时运行而不会相互干扰。 通过为每个进程提供独立的虚拟地址空间操作系统可以有效地管理多个进程的内存需求确保它们能够并发执行提高内存利用率虚拟内存可以将不常用的数据或代码存储在磁盘上从而释放物理内存。 操作系统可以根据需要将不活跃的页面换出到磁盘而将活跃的页面保留在物理内存中。这种机制提高了内存的利用率减少了内存浪费支持内存映射文件虚拟内存允许将文件映射到进程的地址空间。 这使得文件可以像内存一样被访问简化了文件的读写操作提高了文件操作的效率
5、分段、分页
分段和分页是两种内存管理技术用于提高计算机系统的内存利用率和管理效率。
分段Segmentation
定义分段是一种将程序的逻辑地址空间划分为多个不同大小的段segment的内存管理方式。每个段代表程序中的一个逻辑部分如函数、数组、数据结构等。
特点逻辑划分分段是基于程序的逻辑结构进行划分的每个段可以是不同大小反映了程序的实际组织。段表操作系统维护一个段表记录每个段的基地址和长度。逻辑地址由段号和段内偏移量组成。灵活性分段允许程序员根据需要定义段的大小和数量提供了更大的灵活性。保护与共享不同的段可以设置不同的访问权限支持段的共享和保护。
示例一个程序可能被划分为多个段如段 0代码段程序指令段 1数据段全局变量段 2堆段动态分配内存段 3栈段函数调用和局部变量
分页Paging
定义分页是一种将程序的逻辑地址空间划分为固定大小的页面page和物理内存划分为固定大小的页框frame的内存管理方式。每个页面可以映射到任意的页框中。
特点固定大小分页使用固定大小的页面和页框通常大小相同如 4KB简化了内存管理。页表操作系统维护一个页表记录每个页面与物理内存页框之间的映射关系。逻辑地址由页号和页内偏移量组成。避免外部碎片由于页面大小固定分页技术有效避免了外部碎片问题但可能会产生内部碎片即页内未使用的空间。简单的内存管理分页使得内存分配和回收变得简单操作系统可以轻松地将页面加载到内存中。
示例假设一个程序的逻辑地址空间被划分为 10 个页面每个页面大小为 4KB物理内存中有 5 个页框。操作系统通过页表将逻辑页面映射到物理页框中。
分段与分页的比较
特点分段分页划分方式逻辑划分大小不固定固定大小的页面内存管理段表页表碎片问题避免内部碎片可能产生外部碎片避免外部碎片可能产生内部碎片灵活性更灵活适应程序结构简单易于管理保护与共享支持段级别的保护与共享页级别的保护与共享
6、I/O相关问题
I/O输入/输出是计算机系统中用于描述数据传输的过程涉及到计算机与外部设备如硬盘、网络、显示器等之间的数据交换。I/O操作通常是计算机系统中性能瓶颈的主要来源之一因为它们通常比CPU操作慢得多。
什么是I/O
I/O操作可以分为以下几类
输入操作从外部设备如键盘、鼠标、传感器等获取数据。 输出操作将数据发送到外部设备如显示器、打印机、网络等。 存储操作在存储设备如硬盘、SSD等上读写数据。
为什么网络I/O会被阻塞
等待数据传输在进行网络I/O操作时程序可能需要等待数据从网络中传输到本地或者等待数据从本地发送到网络。这种等待会导致程序阻塞直到I/O操作完成。
网络延迟网络通信通常会受到延迟的影响尤其是在高延迟的网络环境中数据包的传输时间可能会很长导致I/O操作被阻塞。
资源竞争多个进程或线程可能同时请求网络I/O资源导致某些请求被阻塞直到资源可用。
缓冲区满在进行网络发送时如果发送缓冲区已满程序会被阻塞直到缓冲区有足够的空间来发送新的数据。
I/O模型
I/O模型主要用于描述程序如何处理I/O操作
阻塞I/OBlocking I/O在阻塞I/O模型中I/O操作会阻塞调用它的线程直到操作完成。程序在等待I/O操作完成期间无法执行其他任务。 优点编程简单易于理解。缺点效率低尤其在高延迟的网络环境中。
非阻塞I/ONon-blocking I/O在非阻塞I/O模型中I/O操作会立即返回不会阻塞调用线程。如果I/O操作无法立即完成程序可以继续执行其他任务。 优点提高了程序的并发性和效率。缺点编程复杂需要处理I/O操作的状态。
I/O复用I/O MultiplexingI/O复用模型允许一个线程同时监视多个I/O流通过系统调用如select、poll、epoll等来检测哪些I/O操作可以进行。
优点高效地处理多个I/O操作适合高并发场景。缺点编程复杂需要管理多个I/O流的状态。
信号驱动I/OSignal-driven I/O在信号驱动I/O模型中程序可以注册信号处理程序当I/O操作准备好时系统会发送信号通知程序。优点避免了轮询提高了效率。缺点信号处理的复杂性可能导致程序的可读性降低。
异步I/OAsynchronous I/O在异步I/O模型中程序可以发起I/O操作并继续执行其他任务I/O操作完成后系统会通知程序通常通过回调函数。 优点高效适合处理大量并发I/O操作。缺点编程复杂需要处理回调和状态管理。
7、同步与异步
同步异步定义调用者会等待被调用的任务完成后再继续执行后续操作。任务的执行是顺序的控制流是线性的。定义调用者可以发起任务并立即继续执行后续操作而不需要等待任务完成。任务的执行可以并行进行控制流是非线性的。特点阻塞调用者在等待任务完成时会被阻塞无法执行其他操作。 简单易懂由于控制流是线性的代码逻辑相对简单易于理解和维护。 资源利用率低在等待I/O操作完成时CPU可能处于闲置状态导致资源利用率低。特点非阻塞调用者在发起任务后可以继续执行其他代码不会被阻塞。 提高资源利用率由于不需要等待I/O操作完成CPU可以在等待期间执行其他任务从而提高资源利用率。 编程复杂性异步编程通常需要处理回调、Promise、Future等概念代码逻辑可能变得复杂。适用于简单的任务处理如文件读取、数据库查询等任务之间的依赖关系较强时。 适合对实时性要求不高的场景适用于高并发场景如网络请求、用户界面交互等能够有效提高程序的响应能力。 适合处理I/O密集型任务能够在等待I/O操作时执行其他计算通过直接调用函数或方法来实现通常是阻塞的I/O操作。通过回调函数、Promise、Future或异步编程模型如async/await来实现。
同步
# 同步读取文件
def read_file_sync():with open(example.txt, r) as file:content file.read() # 阻塞直到文件读取完成print(content)read_file_sync()异步
import asyncioasync def read_file_async():loop asyncio.get_event_loop()with open(example.txt, r) as file:content await loop.run_in_executor(None, file.read) # 非阻塞print(content)asyncio.run(read_file_async())8、CFS
CFSCompletely Fair Scheduler是 Linux 内核中使用的一种调度算法旨在实现公平的 CPU 时间分配。CFS 是在 2005 年由 Ingo Molnar 提出的作为对传统调度器如 O(1) 调度器的改进。
1、设计目标是
公平性确保每个进程获得相应的 CPU 时间避免某些进程长时间占用 CPU。 低延迟尽量减少进程的响应时间特别是对交互式应用程序。 高效性在实现公平性的同时保持调度的高效性。
2、工作原理
CFS 的核心思想是使用一个红黑树Red-Black Tree来管理可运行的进程。每个进程在树中根据其“虚拟运行时间”vruntime进行排序。以下是 CFS 的工作原理
1虚拟运行时间vruntime
每个进程都有一个 vruntime 值表示该进程在 CPU 上运行的时间。CFS 通过这个值来决定哪个进程应该被调度。vruntime 的增加速度与进程的优先级有关优先级高的进程 vruntime 增加得更慢从而获得更多的 CPU 时间。
2红黑树
CFS 使用红黑树来维护所有可运行进程。树的每个节点代表一个进程节点的排序依据是其 vruntime 值。当调度器需要选择下一个运行的进程时它会选择 vruntime 最小的进程即树的最左侧节点。
3时间片
CFS 不使用固定的时间片而是根据进程的 vruntime 动态调整。每个进程在 CPU 上运行的时间取决于其 vruntime 的值。当一个进程被调度运行时其 vruntime 会增加调度器会根据新的 vruntime 值重新调整进程在红黑树中的位置。
3、优点与缺点
公平性CFS 通过 vruntime 的机制确保每个进程获得公平的 CPU 时间。 响应性对于交互式进程CFS 能够快速响应用户输入提供良好的用户体验。 可扩展性CFS 适用于多核处理器能够有效地利用多核系统的资源。
复杂性CFS 的实现相对复杂尤其是红黑树的维护和 vruntime 的计算。 上下文切换开销在高负载情况下频繁的上下文切换可能导致性能下降。
9、select、poll 和 epoll
select、poll 和 epoll 是 Linux 系统中用于 I/O 多路复用的三种系统调用它们的主要作用是允许一个进程同时监视多个文件描述符以便在其中一个或多个文件描述符变为可读、可写或出现异常时进行处理。
1、select
特点select 使用一个固定大小的文件描述符集合最大值通常为 1024可以通过修改系统参数来增加。每次调用 select 时必须重新设置文件描述符集合。
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include unistd.h
#include sys/select.h
#include fcntl.hint main() {int fd1 open(file1.txt, O_RDONLY);int fd2 open(file2.txt, O_RDONLY);fd_set readfds;FD_ZERO(readfds);FD_SET(fd1, readfds);FD_SET(fd2, readfds);int maxfd (fd1 fd2) ? fd1 : fd2;struct timeval timeout;timeout.tv_sec 5; // 5秒超时timeout.tv_usec 0;int ret select(maxfd 1, readfds, NULL, NULL, timeout);if (ret 0) {if (FD_ISSET(fd1, readfds)) {printf(file1.txt is ready to read.\n);}if (FD_ISSET(fd2, readfds)) {printf(file2.txt is ready to read.\n);}} else if (ret 0) {printf(Timeout occurred.\n);} else {perror(select);}close(fd1);close(fd2);return 0;
}2、Poll
特点poll 使用一个动态数组来存储需要监视的文件描述符和事件类型没有固定大小限制。不需要每次调用时重新设置文件描述符。
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include unistd.h
#include poll.h
#include fcntl.hint main() {int fd1 open(file1.txt, O_RDONLY);int fd2 open(file2.txt, O_RDONLY);struct pollfd fds[2];fds[0].fd fd1;fds[0].events POLLIN; // 可读事件fds[1].fd fd2;fds[1].events POLLIN;int ret poll(fds, 2, 5000); // 5秒超时if (ret 0) {if (fds[0].revents POLLIN) {printf(file1.txt is ready to read.\n);}if (fds[1].revents POLLIN) {printf(file2.txt is ready to read.\n);}} else if (ret 0) {printf(Timeout occurred.\n);} else {perror(poll);}close(fd1);close(fd2);return 0;
}3、epoll
特点epoll 是 Linux 特有的高效 I/O 多路复用机制适用于处理大量并发连接。使用事件驱动的方式支持边缘触发和水平触发。通过 epoll_ctl 添加、修改或删除文件描述符。
#include stdio.h
#include stdlib.h
#include unistd.h
#include sys/epoll.h
#include fcntl.hint main() {int fd1 open(file1.txt, O_RDONLY);int fd2 open(file2.txt, O_RDONLY);int epfd epoll_create1(0);struct epoll_event event;event.events EPOLLIN; // 可读事件event.data.fd fd1;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd1, event);event.data.fd fd2;epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd2, event);struct epoll_event events[2];int ret epoll_wait(epfd, events, 2, 5000); // 5秒超时if (ret 0) {for (int i 0; i ret; i) {if (events[i].data.fd fd1) {printf(file1.txt is ready to read.\n);} else if (events[i].data.fd fd2) {printf(file2.txt is ready to read.\n);}}} else if (ret 0) {printf(Timeout occurred.\n);} else {perror(epoll_wait);}close(fd1);close(fd2);close(epfd);return 0;
}特性selectpollepoll文件描述符限制通常为 1024可配置没有固定限制理论上可以支持无限数量的文件描述符数据结构使用固定大小的数组使用动态数组使用红黑树重新设置每次调用都需要重新设置不需要每次重新设置通过 epoll_ctl 管理文件描述符性能在大量文件描述符时性能较差性能比 select 好在大量文件描述符时性能最佳适用场景适合少量文件描述符的简单应用适合中等数量的文件描述符适合高并发、大量文件描述符的应用
