UNIX环境高级编程-进程的运行时环境和运行时资源

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Chapter 7-9

[TOC]

Runtime Environment

当系统启动时，内核代码被加载到内存，初始化后启动第一个用户进程，然后内核的代码就等着用户进程来调度了。

代码在编译之后会生成一个可执行程序。运行程序其实是用户进程(Shell进程)指示内核要启动另一个用户进程，内核便为这个新的进程分配资源，并加载该进程的代码和数据。

一个程序可以被运行多次，除非发生资源抢占可能会发生启动失败。

Runtime Resources

PCB

进程运行时，内核为进程每个进程分配一个PCB（进程控制块），描述进程的详细信息。

PCB在内核中对应的结构体是task_struct。

Virtual Memory

每个进程都会分配虚拟地址空间，在 32 位机下，该地址空间为 4G 。

而在 64 位机下，其虚拟地址只使用了 48 位。所以C程序里，打印的地址都是只有 12 位 16 进制 ,最高为FFFF FFFF FFFF。由于当前 AMD 和 Intel 的 x64 CPU仅实现了 16 EB 虚拟地址空间中的 256 TB。换言之，一个 64 位的虚拟地址中，仅有低 48 位被实现（使用）。然而，虚拟地址仍旧是 64 位宽，在寄存器中，或存储在内存中，它们都占用 8 字节。

虚拟地址中的高 16 位（比特位 48~63）需要被设置成与最高的“实现位”（也就是比特位 47）相同的值，这是通过一种类似于二进制补码运算的符号扩展来完成的。而 48 位的虚拟地址转换成物理地址需要 4 级页表。

另外目前 64 位CPU支持的物理内存最大为64T；
而 32 位CPU最大支持的物理内存为64G（开启PAE选项）。 

    ffff ffff`ffff ffff    ______________
                          |              |
                          | Kernel Space |
    ffff 8000`0000 0000   |______________|
                          |              |
                          | Unused Space |
    0000 7fff`ffff ffff   |______________|
                          |              |
                          | User   Space |
    0000 0000`0000 0000   |______________|

在进程中,指针变量保存的就是虚拟地址。当应用程序使用虚拟地址访问内存时，CPU中的地址加法器会将其转化成物理地址。

这样做的好处在于：

  • 进程隔离，更好的保护系统安全运行
  • 屏蔽物理差异带来的麻烦，方便操作系统和编译器安排进程地址

CPU

CPU的分配是动态的，不是进程一加载就直接分配的，一般来说每个系统都会有许多进程同时在运行，而CPU只有一个（多核CPU可以认为是多个，但是数量远少于进程数量）。那么，进程就需要排队等待，就好像有100个人，在4个卖饭的窗口买饭一样。

内核将进程PCB放入一个队列，总是让CPU服务来队列中的第一个进程，服务时间可以是10微秒(us)，也可以是15毫秒(毫)，具体多长时间跟实际的情况有关系，这个时间有个名字叫做时间片。一旦这个进程服务时间到(或时钟中断)，这个进程会被丢到队列尾部，进行排队,称为进程调度。

时钟中断由系统定时硬件以周期性的间隔产生，这个间隔由内核根据 HZ 值来设定，HZ 是一个体系依赖的值，在 <linux/param.h>中定义或该文件包含的某个子平台相关文件中。

内核中有一个常量HZ，一般是100，250，1000。

对用户空间，内核 HZ 几乎完全隐藏，用户 HZ 始终扩展为 100。

当用户空间程序包含param.h，且每个报告给用户空间的计数器都做了相应转换。对用户来说确切的 HZ 值只能通过 /proc/interrupts 获得：/proc/interrupts 的计数值除以 /proc/uptime 中报告的系统运行时间。