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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，多進(jìn)程處理已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重要方式，而Linux內(nèi)核作為一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)內(nèi)核，也越來越受到人們的關(guān)注。Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程共享技術(shù)，可以幫助多個(gè)進(jìn)程在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上共享計(jì)算資源，從而達(dá)到更好的計(jì)算資源利用率。接下來，本文將詳細(xì)介紹Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)進(jìn)程共享的原理和優(yōu)化計(jì)算資源利用率的方法。
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一、進(jìn)程共享的實(shí)現(xiàn)原理
在Linux系統(tǒng)中，進(jìn)程是由內(nèi)核來管理和調(diào)度的。當(dāng)進(jìn)程需要對(duì)資源進(jìn)行讀寫操作時(shí)，如果有另一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)打開了這個(gè)資源，那么新進(jìn)程就需要等待資源釋放，這樣會(huì)造成資源浪費(fèi)和時(shí)間浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程共享技術(shù)，允許多個(gè)進(jìn)程在同一時(shí)刻共同訪問同一個(gè)資源。
Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)進(jìn)程共享的方式包括兩種：一是通過管道（pipe）實(shí)現(xiàn)，二是通過共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)。
1.管道實(shí)現(xiàn)
管道是一種半雙工的通信方式，即數(shù)據(jù)只能單向傳輸。Linux內(nèi)核中的管道是通過一個(gè)特殊的文件描述符實(shí)現(xiàn)的，其中讀操作使用一個(gè)文件描述符，而寫操作使用另一個(gè)文件描述符。管道可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的資源共享。
在Linux系統(tǒng)中，管道的實(shí)現(xiàn)原理是將管道看作一個(gè)緩存區(qū)域，讀寫操作的進(jìn)程都可以進(jìn)入管道進(jìn)行讀寫。當(dāng)進(jìn)程要想從管道中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷管道是否為空，如果為空則需要等待數(shù)據(jù)寫入，如果不為空，則讀取數(shù)據(jù)并從管道中清除。同樣地，當(dāng)進(jìn)程要向管道中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，先判斷管道是否已滿，如果已滿則需要等待數(shù)據(jù)寫入，如果未滿，寫入數(shù)據(jù)并從頭開始。
管道雖然可以完成進(jìn)程之間的資源共享，但是其數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，且只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸。如果要實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸，就需要使用共享內(nèi)存。
2.共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)
共享內(nèi)存是指多個(gè)進(jìn)程共同使用同一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域的方式。在Linux系統(tǒng)中，內(nèi)核通過shmget函數(shù)來創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域，通過shmat函數(shù)將進(jìn)程映射到共享內(nèi)存區(qū)域中。
共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的原理是將共享內(nèi)存區(qū)域看作一個(gè)緩存區(qū)域，多個(gè)進(jìn)程都可以對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。當(dāng)進(jìn)程需要讀取共享內(nèi)存區(qū)域中的數(shù)據(jù)時(shí)，直接讀取所需數(shù)據(jù)即可。當(dāng)進(jìn)程需要向共享內(nèi)存區(qū)域中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，需要先進(jìn)行加鎖，避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)寫入同一數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)沖突。
共享內(nèi)存在實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程之間的資源共享方面比管道更加高效，且能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸。但是，共享內(nèi)存區(qū)域的分布和協(xié)調(diào)需要嚴(yán)格的控制，否則會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏等問題。
二、優(yōu)化計(jì)算資源利用率的方法
在多進(jìn)程計(jì)算中，如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的優(yōu)化利用是一個(gè)重要的問題。以下為幾種常用的方法：
1.調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)
Linux內(nèi)核中每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，使用調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的方法可以優(yōu)化計(jì)算資源利用率。通常情況下，內(nèi)核分配給進(jìn)程的時(shí)間是根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來分配的。優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程會(huì)獲得更多的時(shí)間片，從而更充分地利用計(jì)算資源。
2.使用多線程
多線程可以在同一進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行多個(gè)線程，每個(gè)線程可以由不同的任務(wù)負(fù)責(zé)。當(dāng)一個(gè)線程需要進(jìn)行長時(shí)間的I/O操作時(shí)，其他的線程可以在此期間繼續(xù)運(yùn)行。這樣可以大大減少CPU等待時(shí)間，更充分地利用計(jì)算資源。
3.使用任務(wù)并行庫
任務(wù)并行庫能夠?qū)⒊绦蛑械娜蝿?wù)分配給多個(gè)進(jìn)程或線程去處理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的優(yōu)化利用。常見的任務(wù)并行庫包括OpenMP、MPI等。
進(jìn)程共享技術(shù)可以幫助多個(gè)進(jìn)程在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上共享計(jì)算資源，從而優(yōu)化計(jì)算資源的利用率，提高計(jì)算效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇不同的資源共享方式，同時(shí)使用調(diào)整優(yōu)先級(jí)、多線程等方法來優(yōu)化計(jì)算資源利用率。
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- linux內(nèi)核與用戶進(jìn)程通信的方法具體有哪幾種
- Linux為什么區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間？
linux內(nèi)核與用戶進(jìn)程通信的方法具體有哪幾種
# 管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動(dòng)，而且只能在緩緩猜具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用。進(jìn)程的親緣關(guān)系通常是指父子進(jìn)程關(guān)系。# 有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信。
# 信號(hào)量( semophore ) ： 信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，可以用來控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問。它常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程正在訪問共享資源時(shí)，其他進(jìn)程也訪問該資源。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段。
# 消息隊(duì)列( message queue ) ： 消息隊(duì)列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道哪爛只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。
# 信號(hào) ( sinal ) ： 信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生。
# 共享內(nèi)存( shared memory ) ：共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，但多個(gè)進(jìn)程都可以訪問。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式，它是針對(duì)其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號(hào)兩，配合使擾型用，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。
# 套接字( socket ) ： 套解口也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于不同及其間的進(jìn)程通信。
這個(gè)是進(jìn)程間的吧。
Linux為什么區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間？
程序如果要被CPU執(zhí)行，就得編譯成CPU可以執(zhí)行的指令，一大堆的程序就變成了一堆的指令。
一個(gè)操作系統(tǒng)它也是一堆程序組成的，可以想象CPU的指令是很多的，但是這么多的指令中，有些指令涉及到系統(tǒng)底層的東西，如果有些指令錯(cuò)用或者使用不當(dāng)是非常危險(xiǎn)的，比如清內(nèi)存、設(shè)置時(shí)鐘、修改用戶訪問權(quán)限、分配系統(tǒng)資源等等，可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。
CPU將這些指令進(jìn)行了分類，分為
特權(quán)指令
和
非特權(quán)指令
，不讓所有程序都能使用所有指令，如果所有程序都能使用，那系統(tǒng)崩潰就會(huì)變得非常常見了。
操作系統(tǒng)的核心是內(nèi)核，它是獨(dú)立于普通的應(yīng)用程序，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，所以一定要埋悄鉛保證內(nèi)核的安全。
為了保護(hù)內(nèi)核的安全，操作系統(tǒng)一般都限制用戶進(jìn)程不能直接操作內(nèi)核，在32位操作系統(tǒng)總的地址空間4G（2^32 = 4GB），實(shí)現(xiàn)這個(gè)限制的方式就是操作系統(tǒng)將總的地址空間分為兩個(gè)部分，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)：
《
你該知道你寫的程序的內(nèi)存布局
》
總之，有1G的內(nèi)核空間是每個(gè)進(jìn)程共享的，剩下的3G是進(jìn)程自己使用的。
在內(nèi)核態(tài)下，CPU可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集，也就是說內(nèi)核態(tài)進(jìn)程可以調(diào)用系統(tǒng)的一切資源，但是特權(quán)指令只能在內(nèi)核態(tài)下執(zhí)行，它不直接提供給用戶使用，用戶態(tài)下只能使用非特權(quán)指令，也就是說用戶態(tài)進(jìn)程只能執(zhí)行簡單運(yùn)算，不能直接調(diào)用系統(tǒng)資源。
那么CPU如何知道當(dāng)前是否可以使用特權(quán)指令？
Linux操作系統(tǒng)通過區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的這種設(shè)計(jì)，將操作系統(tǒng)代碼和用戶程序代碼分開，這樣即使在某一個(gè)應(yīng)用程序出錯(cuò)，也不會(huì)影響到操作系統(tǒng)，再說，Linux操作系統(tǒng)是多任務(wù)系統(tǒng)，其它應(yīng)用程彎好序不也還能運(yùn)行。
現(xiàn)代操作系統(tǒng)基本上都是分內(nèi)核空間和用戶空間的做法，來 保護(hù)操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性，這也是區(qū)分內(nèi)核空間和用戶空間的本質(zhì)。
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