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  • 虚拟地址,进程和线程

     一, 操作系统

    1、调度器

      在单核计算机里,有一个资源是无法被多个程序并行使用的:cpu。

      没有操作系统的情况下,一个程序一直独占着全都cpu。

      如果要有两个任务来共享同一个CPU,程序员就需要仔细地为程序安排好运行计划--某时刻cpu和由程序A来独享,下一时刻cpu由程序B来独享,而这种安排计划后来成为OS的核心组件,被单独名命为“scheduler”,即“调度器”,它关心的只是怎样把单个cpu的运行拆分成一段一段的“运行片”,轮流分给不同的程序去使用,而在宏观上,因为分配切换的速度极快,就制造出多程序并行在一个cpu上的假象。

    2、虚拟内存

      在单核计算机里,有一个资源可以被多个程序共用,然而会引出麻烦:内存。

      在一个只有调度器,没有内存管理组件的操作系统上,程序员需要手工为每个程序安排运行的空间 -- 程序A使用物理地址0x00-0xff,程序B使用物理地址0x100-0x1ff,等等。

      然而这样做有个很大的问题:每个程序都要协调商量好怎样使用同一个内存上的不同空间,软件系统和硬件系统千差万别,使这种定制的方案没有可行性。 为了解决这个麻烦,计算机系统引入了“虚拟地址”的概念,从三方面入手来做:

    1)、硬件上,CPU增加了一个专门的模块叫MMU,负责转换虚拟地址和物理地址。

    2)、操作系统上,操作系统增加了另一个核心组件:memory management,即内存管理模块,它管理物理内存、虚拟内存相关的一系列事务。

    3)、应用程序上,发明了一个叫做【进程】的模型,(注意)每个进程都用【完全一样的】虚拟地址空间然而经由操作系统和硬件MMU协作,映射到不同的物理地址空间上。不同的【进程】,都有各自独立的物理内存空间,不用一些特殊手段,是无法访问别的进程的物理内存的

    4)、现在,不同的应用程序,可以不关心底层的物理内存分配,也不关心CPU的协调共享了。然而还有一个问题存在:有一些程序,想要共享CPU,【并且还要共享同样的物理内存】,这时候,一个叫【线程】的模型就出现了,它们被包裹在进程里面,在调度器的管理下共享CPu,拥有同样的虚拟地址空间,同时也共享同一个物理地址空间,然而,它们无法越过包裹自己的进程,去访问别一个进程的物理地址空间。

    5)、进程之间怎样共享同一个物理地址空间呢?不同的系统方法各异,符合posix规范的操作系统都提供了一个接口,叫mmap,可以把一个物理地址空间映射到不同的进程中,由不同的进程来共享。

    二,进程线程:

    1,区别

    • 地址空间:同一进程的线程共享本进程的地址空间,而进程之间则是独立的地址空间。
    • 资源拥有:同一进程内的线程共享本进程的资源如内存、I/O、cpu等,但是进程之间的资源是独立的。

         一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产生影响,但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

         进程切换时,消耗的资源大,效率高。所以涉及到频繁的切换时,使用线程要好于进程。

         同样如果要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作,只能用线程不能用进程

    • 执行过程:每个独立的进程程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序入口。但是线程不能独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制。
    • 线程是处理器调度的基本单位,但是进程不是。
    • 两者均可并发执行。

    2,优缺点:

      线程执行开销小,但是不利于资源的管理和保护。线程适合在SMP机器(双CPU系统)上运行。

      进程执行开销大,但是能够很好的进行资源管理和保护。进程可以跨机器前移。

    3,何时使用多进程,何时使用多线程?

      对资源的管理和保护要求高,不限制开销和效率时,使用多进程。

      要求效率高,频繁切换时,资源的保护管理要求不是很高时,使用多线程。

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