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linux shell操作 - 05 进程与 IO 模型

article 2025/1/31 8:08:48

计算机内存分配

一个32位，4G内存的计算机，内存使用分为两部分：

进程是操作系统中资源管理的最小单位，它是将静态程序加载到内存中的一次动态的执行，包括进程创建、进程调度、进程销毁；
每个进程有自己独有的内存（在用户空间内），进程的私有内存是相互独立的，且进程间无法直接通信；
不同进程间通信，可以采用队列、管道、信号、共享内存（内核空间内）等方式；
每个进程中可以创建一个或者多个线程，多个线程共享当前进程的部分内存资源，如代码、全局变量等；
进程的内存分布
比如上图中的shell脚本，运行时，shell是父进程，python3开启子进程，父进程会等待子进程退出；当关闭shell进程（父进程）时，python3子进程由init进程接管。
父进程中，当以fork()系统调用创建子进程时，子进程执行exit()系统调用退出后，内核中仍然存有子进程的信息，如pid, exit code, run time等，这些信息要等父进程通过wait/waitpid来回收，若一直未回收，则退出的子进程成为僵尸进程，一直占用系统资源。
僵持进程无法通过kill关闭，随着数量增多，系统资源耗尽，导致系统瘫痪。

阻塞IO，一直等待，不占用资源；无法同时处理多个任务；
用户进程发起读的系统调用，当内核中socket fd未就绪时，一直阻塞等待；
socket fd 就绪时，将内核中的socket数据拷贝到用户空间（拷贝期间阻塞等待）；
accept()阻塞
非阻塞IO，忙轮询，占用CPU；
应用程序不断轮询内核，对应的socket fd是否就绪，未就绪则返回（非阻塞）；
若已就绪，则拷贝内核中socket的数据到用户空间（阻塞）。
accept()不阻塞
IO多路复用，多个IO复用一个进程/线程，既可以阻塞等待不占用资源，又可以同时并发处理多个任务；
- linux 支持select， poll， epoll
- 应用程序通过系统调用让内核同时监控多个socket fd，一旦有网络事件发生，内核就遍历找到对应的socket，将其标记为可读，然后将所有的socket fd返回给应用程序；
- 应用程序遍历所有的fd，找到就绪的fd，通过系统调用复制对应socket的数据到用户空间；
异步IO;
应用程序发起异步read操作后，立即返回；
内核中的fd就绪，复制数据完成，触发信号通知应用程序；
全程无阻塞；
信号驱动IO
首先注册信号处理函数；
检查内核socket fd 是否就绪，未就绪直接返回；
已就绪，则内核发送信号给应用程序，触发信号处理函数；
信号处理函数，发起系统调用，从内核空间拷贝socket数据到用户空间（阻塞）；

pass

多个IO复用一个进程/线程，既可以阻塞等待不占用资源，又可以同时并发处理多个任务；

select
- 最大连接数默认1024；
- 两次拷贝，先将所有的fd 从用户空间拷贝到内核空间，由内核监控是否有fd就绪（可读或可写），也就是有网络事件发生；一旦有fd就绪，则遍历所有的fd集合，找到对应的fd并将其标记为就绪态（可读、可写），然后将所有的fd（fd集合）从内核空间拷贝到用户空间，用户进程内遍历所有的fd，找出就绪的从进行读写；
- 两次遍历；
- 并发量大时，性能指数式下降；
- 代码流程：
poll，与select 没有本质的区别，只是连接数比select多；
epoll，高性能的IO多路复用（仅linux支持）
- 连接数更大，上限为进程的最大连接数；查看最大连接数cat /proc/sys/fs/file-max
- 内核中采用红黑树结构，可高效地增删改，仅返回就绪的fd；
- 将就绪的fd拷贝给用户进程，避免无用的遍历；
- 适合并发量大的场景，可以解决C10K问题（单台服务器并发1w），