实验五 Linux *** 作系统是如何工作的

*** 作系统工作的基础：

1、存储程序计算机

冯.诺伊曼首先提出了“存储程序”的概念，按照存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容，按地址顺序取出存放在内存储器中的指令（按地址顺序访问指令），然后分析指令，执行指令的功能，遇到转移指令时，则转移到转移地址，再按地址顺序访问指令（程序控制）。linux *** 作系统就是以存储程序计算机的工作原理为基础去管理整个计算机以及整个计算机的执行工作流程。

存储程序计算机以运算单元为中心， 采用存储程序原理，存储器是按地址访问、线性编址的空间，控制流由指令流产生， 指令由 *** 作码和地址码组成，数据以二进制编码。（维基百科）

2、堆栈

堆栈（此处不同于数据结构的中堆栈）是内存中的一段存储区域。堆栈用到的寄存器主要有%esp和%ebp，c语言中堆栈机制主要用于函数调用中上一层函数相关寄存器（包括堆栈相关寄存器，eip寄存器等）的保存，以便从调用函数返回至上一层函数，堆栈还会保存调用函数的参数以及函数中创建的局部变量。

*** 作系统中的堆栈分为用户态堆栈和内核态堆栈，而程序的执行又是以进程为单位来执行的， *** 作系统使每个进程有各自独立的4G地址空间，0~3G为用户态，3G~4G为内核态，Linux为每个进程分配一个8KB大小的内存区域，用于存放该进程两个不同的数据结构：Thread_info和进程内核堆栈。当我们进行系统调用或其他中断时内核栈会保存用户栈的寄存器信息以及返回地址等信息，当内核进行进程调度切换上下文时堆栈会保存前一个进程的上下文，再载入下一进程的上下文。

3、中断

中断机制最初是未解决计算机和外设的处理速度不匹配问题，为了提高cpu的工作效率， *** 作系统引入中断机制。

处理器的速度跟外围硬件设备的速度往往不在一个数量级上，因此，如果内核采取让处理器向硬件发出一个请求，然后专门等待回应的办法，显然降低内核效率。中断可以让内核不用等待硬件响应，而是去执行其他事务进程，当硬件处理完毕，通过中断告知CPU硬件数据准备好，CPU再切换来处理此硬件事务。

不同的设备对应的中断不同，而每个中断都通过一个惟一的数字标识，即中断号。从而使得 *** 作系统能够对中断进行区分，并知道哪个硬件设备产生了哪个中断。这样， *** 作系统才能给不同的中断提供不同的中断处理程序。

中断使得进程能够并发的去执行，当然，并发并不是并行，而是中断允许CPU在多个进程之间切换，大大提高了CPU的利用率。中断是多进程能够正常执行以及进程间的切换的必不可少的要素。

1、物理CPU数：机器主板上实际插入的cpu数量，比如说你的主板上安装了一块8核CPU，那么物理CPU个数就是1个，所以物理CPU个数就是主板上安装的CPU个数。

2、物理CPU核数：单个物理CPU上面有多个核，物理CPU核数=物理CPU数✖️单个物理CPU的核

3、逻辑CPU核数：一般情况，我们认为一颗CPU可以有多个核，加上intel的超线程技术(HT), 可以在逻辑上再分一倍数量的CPU core出来。逻辑CPU核数=物理CPU数✖️单个物理CPU的核*2

4、超线程技术(Hyper-Threading)：就是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑CPU模拟成两个物理CPU，实现多核多线程。我们常听到的双核四线程/四核八线程指的就是支持超线程技术的CPU。

1、并行：两件（多件）事情在同一时刻一起发生。

2、并发：两件（多件）事情在同一时刻只能有一个发生，由于CPU快速切换，从而给人的感觉是同时进行。

3、进程和线程

进程是资源分配的最小单位，一个程序有至少一个进程。线程是程序执行的最小单位。一个进程有至少一个线程。

线程之间的通信更方便，同一进程下的线程共享全局变量、静态变量等数据，而进程之间的通信需要以通信的方式（IPC)进行。多进程程序更健壮，多线程程序只要有一个线程死掉，整个进程也死掉了，而一个进程死掉并不会对另外一个进程造成影响，因为进程有自己独立的地址空间。

4、单核多线程：单核CPU上运行多线程， 同一时刻只有一个线程在跑，系统进行线程切换，系统给每个线程分配时间片来执行，看起来就像是同时在跑， 但实际上是每个线程跑一点点就换到其它线程继续跑。

5、多核多线程：每个核上各自运行线程，同一时刻可以有多个线程同时在跑。

1、对于单核：多线程和多进程的多任务是在单cpu交替执行（时间片轮转调度，优先级调度等），属于并发

2、对于多核：同一个时间多个进程运行在不同的CPU核上，或者是同一个时间多个线程能分布在不同的CPU核上（线程数小于内核数），属于并行。

3、上下文切换：上下文切换指的是内核（ *** 作系统的核心）在CPU上对进程或者线程进行切换。上下文切换过程中的信息被保存在进程控制块（PCB-Process Control Block）中。PCB又被称作切换帧（SwitchFrame）。上下文切换的信息会一直被保存在CPU的内存中，直到被再次使用。

CPU 亲和性（affinity）就是进程要在某个给定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器的倾向性。这样可以减少上下文切换的次数，提高程序运行性能。可分为：自然亲和性和硬亲和性

1、自然亲和性：就是进程要在指定的 CPU 上尽量长时间地运行而不被迁移到其他处理器，Linux 内核进程调度器天生就具有被称为 软 CPU 亲和性（affinity） 的特性，这意味着进程通常不会在处理器之间频繁迁移。这种状态正是我们希望的，因为进程迁移的频率小就意味着产生的负载小。Linux调度器缺省就支持自然CPU亲和性(natural CPU affinity): 调度器会试图保持进程在相同的CPU上运行。

2、硬亲和性：简单来说就是利用linux内核提供给用户的API，强行将进程或者线程绑定到某一个指定的cpu核运行。Linux硬亲和性指定API：taskset .

taskset [options] mask command [arg]...

taskset [options] -p [mask] pid

taskset 命令用于设置或者获取一直指定的 PID 对于 CPU 核的运行依赖关系。也可以用 taskset 启动一个命令，直接设置它的 CPU 核的运行依赖关系。

CPU 核依赖关系是指，命令会被在指定的 CPU 核中运行，而不会再其他 CPU 核中运行的一种调度关系。需要说明的是，在正常情况下，为了系统性能的原因，调度器会尽可能的在一个 CPU 核中维持一个进程的执行。强制指定特殊的 CPU 核依赖关系对于特殊的应用是有意义的

CPU 核的定义采用位定义的方式进行，最低位代表 CPU0，然后依次排序。这种位定义可以超过系统实际的 CPU 总数，并不会存在问题。通过命令获得的这种 CPU 位标记，只会包含系统实际 CPU 的数目。如果设定的位标记少于系统 CPU 的实际数目，那么命令会产生一个错误。当然这种给定的和获取的位标记采用 16 进制标识。

0x00000001

代表 #0 CPU

0x00000003

代表 #0 和 #1 CPU

0xFFFFFFFF

代表 #0 到 #31 CPU

-p, --pid

对一个现有的进程进行 *** 作，而不是启动一个新的进程

-c, --cpu-list

使用 CPU 编号替代位标记，这可以是一个列表，列表中可以使用逗号分隔，或者使用 "-" 进行范围标记，例如：0,5,7,9

-h, --help

打印帮助信息

-V, --version

打印版本信息

如果需要设定，那么需要拥有 CAP_SYS_NICE 的权限；如果要获取设定信息，没有任何权限要求。

taskset 命令属于 util-linux-ng 包，可以使用 yum 直接安装。

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