LInux 操作系統(tǒng)中斷

什么是系統(tǒng)中斷

這個(gè)沒(méi)啥可說(shuō)的，大家都知道；

CPU 在執(zhí)行任務(wù)途中接收到中斷請(qǐng)求，需要保存現(xiàn)場(chǎng)后去處理中斷請(qǐng)求！保存現(xiàn)場(chǎng)稱為中斷處理程序！處理中斷請(qǐng)求也就是喚醒對(duì)應(yīng)的任務(wù)進(jìn)程來(lái)持有CPU進(jìn)行需要的操作！

有了中斷之后，提升了操作系統(tǒng)的性能！可以異步并行處理很多任務(wù)！

• 軟中斷（80中斷）

由CPU產(chǎn)生的；CPU檢查到程序代碼段發(fā)生異常會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)；

• 硬中斷

由硬件設(shè)備發(fā)起的中斷稱為硬中斷！可以發(fā)生在任何時(shí)間；比方說(shuō)網(wǎng)卡設(shè)備接收到一組報(bào)文；對(duì)應(yīng)的報(bào)文會(huì)被DMA設(shè)備進(jìn)行拷貝到網(wǎng)卡緩沖區(qū)！然后網(wǎng)卡就會(huì)向CPU發(fā)起中斷信號(hào)（IRQ）：

CPU收到信號(hào)后就會(huì)執(zhí)行網(wǎng)卡對(duì)應(yīng)的中斷處理程序！

內(nèi)核在系統(tǒng)中斷時(shí)做了什么事

每種中斷都有它對(duì)應(yīng)的中斷處理程序；

對(duì)應(yīng)到內(nèi)核的某一個(gè)代碼段；

CPU接收到中斷后；首先需要將寄存器中數(shù)據(jù)保存到進(jìn)程描述符！PCB！

隨后切換到內(nèi)核態(tài)處理中斷處理程序！執(zhí)行網(wǎng)卡的程序；

執(zhí)行完畢之后切換到用戶態(tài)，根據(jù)PCB內(nèi)容恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)！然后就可繼續(xù)執(zhí)行代碼段了！

硬件中斷觸發(fā)的過(guò)程

中斷請(qǐng)求寄存器：保存需要發(fā)送中斷請(qǐng)求的設(shè)備記錄！

優(yōu)先級(jí)解析器：中斷請(qǐng)求是有優(yōu)先級(jí)之分的，因?yàn)镃PU不能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)中斷請(qǐng)求！

正在服務(wù)寄存器：正在執(zhí)行的請(qǐng)求！比方我正在打字，這里面記錄的就是鍵盤IRQ1 ！

操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要將硬件向量值與處理程序地址進(jìn)行映射！當(dāng)硬件發(fā)送中斷信息時(shí)只會(huì)發(fā)送向量值，通過(guò)匹配找到對(duì)應(yīng)的處理程序！

Socket基礎(chǔ)

Socket讀寫緩沖區(qū)機(jī)制

所謂socket,在底層也無(wú)非就是一個(gè)對(duì)象，通過(guò)對(duì)象綁定兩個(gè)緩沖區(qū)，也就是數(shù)據(jù)隊(duì)列，然后調(diào)用系統(tǒng)API對(duì)這兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作罷了！

發(fā)數(shù)據(jù)；用戶態(tài)轉(zhuǎn)內(nèi)核態(tài)，將數(shù)據(jù)拷貝到send緩存區(qū)，然后調(diào)用write系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)拷貝到網(wǎng)卡，再由網(wǎng)卡通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送！

socket兩種工作模式

• BIO

總結(jié)：讀數(shù)據(jù)讀不到就一直等，發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)不了就一直等！

• NIO

讀數(shù)據(jù)讀不到就等一會(huì)再讀，取數(shù)據(jù)取不到就等一會(huì)再取！

接受端緩沖區(qū)打滿了，線程又搶占不到CPU去清理緩沖區(qū)，怎么辦！

最后發(fā)送端的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)也會(huì)被打滿！

系統(tǒng)調(diào)用；用戶態(tài)------內(nèi)核態(tài)

• 系統(tǒng)調(diào)用：

int 0X80對(duì)應(yīng)的就是系統(tǒng)調(diào)用中斷處理程序；向量值為128；system_call;

IRQ是有限的，不可能為每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都分配一個(gè)向量值，所以統(tǒng)一使用80中斷來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的路由！

為什么要有這兩種狀態(tài)

指令的危險(xiǎn)程度不一樣；

對(duì)于不同的指令，為了保證系統(tǒng)安全，劃分了用戶空間和內(nèi)核空間；

linux中：0表示內(nèi)核態(tài)，3表示用戶態(tài)！

所以：linux在創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候就會(huì)為進(jìn)程分配兩塊空間；

用戶棧：分配變量，創(chuàng)建對(duì)象

內(nèi)核棧：分配變量！

什么時(shí)候進(jìn)程進(jìn)行切換至內(nèi)核態(tài)

硬中斷；

用戶態(tài)中代碼出現(xiàn)錯(cuò)誤也要切換！

進(jìn)程切換時(shí)都做了什么

CPU中存在很多寄存器

這些寄存器保存了進(jìn)程在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)的一些瞬時(shí)數(shù)據(jù)；如果現(xiàn)在要進(jìn)行進(jìn)程切換了；這些數(shù)據(jù)都需要找個(gè)地方保存起來(lái)；那么保存到哪里呢？

進(jìn)程PCB：在OS創(chuàng)建進(jìn)程的時(shí)候同時(shí)也會(huì)分配一段空間存放進(jìn)程的一些信息；其中就有一個(gè)字段指向一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；叫做進(jìn)程控制塊PCB：

用來(lái)描述和控制進(jìn)程的運(yùn)行的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊PCB(Process Control Block)，是進(jìn)程實(shí)體的一部分，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

• PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志
• 系統(tǒng)能且只能通過(guò)PCB對(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制和調(diào)度
• PCB記錄了操作系統(tǒng)所需的、用于描述進(jìn)程的當(dāng)前情況以及控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息

所以：在進(jìn)程進(jìn)行切換的時(shí)候CPU中的數(shù)據(jù)保存到了PCB中，供CPU回來(lái)時(shí)讀取恢復(fù)！

Linux select 多路復(fù)用函數(shù)

select就是一個(gè)函數(shù)：只要傳入相應(yīng)的參數(shù)就能獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)：

1、們所關(guān)心的文件描述符fd;

2、描述符中我們關(guān)心的狀態(tài)：讀事件、寫事件、等

3、等待時(shí)間

調(diào)用結(jié)束后內(nèi)核會(huì)返回相關(guān)信息給我們！

做好準(zhǔn)備的個(gè)數(shù)

哪些已經(jīng)做好準(zhǔn)備；有了這些返回信息，我們就可以調(diào)用合適的IO函數(shù)！這些函數(shù)就不會(huì)再被阻塞了；-

函數(shù)詳解

select函數(shù)這里不再細(xì)講，可以翻看以前的文章

將函數(shù)需要的參數(shù)準(zhǔn)備好之后調(diào)用select；

select進(jìn)行80中斷；將rset數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核中；查詢對(duì)應(yīng)的狀態(tài)之后設(shè)置rset對(duì)應(yīng)的位置值，

完成后又拷貝到用戶態(tài)中的rset；這樣一來(lái)rset里面的位信息就代表了哪些socket是準(zhǔn)備好了的！

隨后遍歷這些位信息就可以調(diào)用read或wirte進(jìn)行緩沖區(qū)的操作了！

缺點(diǎn)

可以看到，while死循環(huán)中每次執(zhí)行都將rset重新置位；然后循環(huán)重新SET位信息；隨后才會(huì)發(fā)起請(qǐng)求！過(guò)程較為繁瑣且重復(fù)！

select多路復(fù)用器底層原理分析

epoll函數(shù)

了解到select的缺點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)：select每次得到數(shù)據(jù)都要進(jìn)行復(fù)位，然后又進(jìn)行重復(fù)的步驟去內(nèi)核中獲取信息；感覺(jué)就是很多時(shí)間都花在重復(fù)的勞動(dòng)上，為了解決這個(gè)問(wèn)題，linux在2.6引入epoll模型，單獨(dú)在內(nèi)核區(qū)域開辟一塊空間來(lái)做select主動(dòng)去做的事，select是主動(dòng)查，epoll則是準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，線程來(lái)了直接取就行了；大大提升了性能

既然是函數(shù)，看看相關(guān)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

實(shí)現(xiàn)思路：

在內(nèi)核創(chuàng)建一塊空間；總所周知；linux下一切皆文件；所以所謂創(chuàng)建的空間也就是一個(gè)文件描述符fd,然后這個(gè)文件結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)指針指向另外兩個(gè)地址空間：事件隊(duì)列、就緒隊(duì)列

事件隊(duì)列：存放已經(jīng)建立所有socket連接

就緒隊(duì)列：準(zhǔn)備就緒的socket；也就是read或write的時(shí)候不用阻塞的socket；

其實(shí)epoll就像一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)；里面有兩個(gè)數(shù)據(jù)表；一個(gè)放連接列表；一個(gè)放準(zhǔn)備就緒的連接列表；

既然有這兩個(gè)隊(duì)列；就要涉及到增刪查；這就是另外兩個(gè)函數(shù)的來(lái)由；

int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);

對(duì)事件隊(duì)列進(jìn)行增刪改：

epfd : epoll的文件描述符號(hào)：因?yàn)閮?nèi)核中可能有多個(gè)epoll

op : 參數(shù)op有以下幾個(gè)值：EPOLL_CTL_ADD：注冊(cè)新的fd到epfd中，并關(guān)聯(lián)事件event；EPOLL_CTL_MOD：修改已經(jīng)注冊(cè)的fd的監(jiān)聽事件；EPOLL_CTL_DEL：從epfd中移除fd，并且忽略掉綁定的event，這時(shí)event可以為null；

fd : 表示socket對(duì)應(yīng)的文件描述符。

epoll底層原理解析