Java程序员需要掌握的计算机底层知识（三）：进程、线程、纤程、中断

2023-12-31 20:38
文章标签 java 线程 程序员 需要 中断 进程 知识 底层 计算机 掌握 纤程

本文主要是介绍Java程序员需要掌握的计算机底层知识（三）：进程、线程、纤程、中断，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

面试高频问题

问：进程和线程有什么区别？
答：进程是一个程序运行起来的状态（运行态），线程是一个进程中不同的执行路径（线程只是其中一个）。
更为专业的回答：进程是操作系统用来分配资源的基本单位，线程是操作系统用来执行调度的基本单位。

进程、线程、纤程

1、进程

在这里插入图片描述
双击QQ.exe，操作系统通过IO把它从磁盘取出来，放进内存中，形成一个进程。
再双击QQ.exe，又开启一个进程…（同一个可以多次启动，开启多个进程）

进程最重要的资源，是它被分配的自己独立的内存空间。

程序开始执行之后，首先有一个main主线程。之后可能会有其他的线程，线程调度执行。
在这里插入图片描述
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线程和进程的区别：
（标准回答）线程共享进程的内存空间，没有自己独立的内存空间。

操作系统的线程是怎么实现的？
不同的操作系统对于线程的实现是不同的。
可以读一下《Linux内核设计与实现》
在这里插入图片描述
在Linux中，进程就是一个fork，会从现有的进程里面开启一个新的子进程。
在Linux里面，进程和线程没有太大的区别，线程就是一个普通的进程，只不过和其他进程共享资源（内存空间、全局数据等…）
在其他操作系统中（比如Windows，Solaris），有各自LWP的实现，线程是轻量级进程。
在这里插入图片描述

协程（纤程）

JVM（HotSpot）和操作系统的线程是一一对应的：JVM空间的一个线程，对应操作系统中的一个线程，这是重量级线程。

操作系统可以开启的线程是有限的（1万个已经很卡了），而纤程是用户空间的，不需要与内核打交道，轻量级，切换速度快，可以启动几万个，甚至几十万个都没有问题。

纤程
纤程可以被理解为：线程里的线程，在JVM层级用软件进行内部的线程协调。
纤程是被JVM管理，运行在用户态，操作和调度不经过操作系统内核。
关于纤程的实现：纤程可以分配自己独立的纤程栈，相当于自己实现了一个小小的操作系统级别的调度程序。

纤程的优势
1、占有资源很少。操作系统启动一个线程占用1M的内存空间，而启动一个纤程只需要4K空间
2、由于轻量级，切换简单
3、由于轻量级，可以启动几十万个纤程都没有问题。

2020目前支持内置纤程的语言
Kotlin Scala Go Python(+lib)
Java通过类库可以支持：OpenJDK的loom项目正在做纤程的尝试。目前 JDK 14 还没有支持纤程，期待 JDK 15 吧…

利用Quaser库（不成熟）

如果大规模应用在生产，还是有一些小bug存在的。

pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0"xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd"><modelVersion>4.0.0</modelVersion>
​<groupId>mashibing.com</groupId><artifactId>HelloFiber</artifactId><version>1.0-SNAPSHOT</version>
​<dependencies><!-- https://mvnrepository.com/artifact/co.paralleluniverse/quasar-core --><dependency><groupId>co.paralleluniverse</groupId><artifactId>quasar-core</artifactId><version>0.8.0</version></dependency></dependencies>
​
</project>

HelloFiber.java 线程版
耗时7s
在这里插入图片描述

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;
​
public class HelloFiber {
​public static void main(String[] args) throws  Exception {long start = System.currentTimeMillis();Runnable r = new Runnable() {@Overridepublic void run() {calc();}};
​int size = 10000;
​Thread[] threads = new Thread[size];for (int i = 0; i < threads.length; i++) {threads[i] = new Thread(r);}
​for (int i = 0; i < threads.length; i++) {threads[i].start();}
​for (int i = 0; i < threads.length; i++) {threads[i].join();}
​long end = System.currentTimeMillis();System.out.println(end - start);}
​static void calc() {int result = 0;for (int m = 0; m < 10000; m++) {for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;}}
}

HelloFiber2.java 纤程版
耗时3s

import co.paralleluniverse.fibers.Fiber;
import co.paralleluniverse.fibers.SuspendExecution;
import co.paralleluniverse.strands.SuspendableRunnable;
​
public class HelloFiber2 {
​public static void main(String[] args) throws  Exception {long start = System.currentTimeMillis();int size = 10000;
​Fiber<Void>[] fibers = new Fiber[size];
​for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {fibers[i] = new Fiber<Void>(new SuspendableRunnable() {public void run() throws SuspendExecution, InterruptedException {calc();}});}
​for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {fibers[i].start();}
​for (int i = 0; i < fibers.length; i++) {fibers[i].join();}
​long end = System.currentTimeMillis();System.out.println(end - start);}
​static void calc() {int result = 0;for (int m = 0; m < 10000; m++) {for (int i = 0; i < 200; i++) result += i;}}
}

可再优化：

  • 目前是10000个Fiber，在1个JVM线程中执行。
  • 可以考虑将10000个计算任务分为10个线程，让10个线程去执行，每个线程执行1000个。

这样既充分利用了操作系统在内核级别对于线程的调度，又充分利用了JVM在用户空间的对于纤程的调度。

纤程的应用场景
  • 纤程 vs 线程池：什么时候用纤程，什么时候用线程池？

纤程应用在很短的计算任务，不需要和内核打交道，并发量高的时候，适合使用纤程。
如果是读文件之类的任务，用线程比较好。

内核线程（了解）

内核线程是内核独用的线程，用来进行一些后台操作，比如垃圾清理等。
在这里插入图片描述

进程创建和启动

在Linux中，fork 底层调用的是 clone，是从当前进程 clone 出一个新的进程来。
在这里插入图片描述

僵尸进程、孤儿进程

1、僵尸进程

在大多数情况下，少量僵尸进程的存在，对操作系统没有太大影响，它基本不再占用任何资源了，它在内存中唯一占用的资源就是PCB了。
僵尸进程的产生原因，有可能父进程是一个daemon进程，C程序开发人员在父进程没有释放子进程，这时会出现僵尸进程。
可以使用内核中的wait函数，释放僵尸进程
在这里插入图片描述
僵尸进程c示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();  // 从 A 进程 fork 出来一个子进程 B
​if (0 == pid) { // 这段是在 fork 的子进程执行的 Bprintf("child id is %d\n", getpid());printf("parent id is %d\n", getppid());  // main 进程的 id} else {  // 这段是执行的进程 Awhile(1) {}}
}

在这里插入图片描述

2、孤儿进程

孤儿进程产生的原因：子进程还活着，父进程挂了

孤儿进程和孤儿线程没有太大区别，因为在Linux中，进程和线程没有太大区别。
孤儿进程的影响：影响不大。

孤儿进程c示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/types.h>
​
int main() {pid_t pid = fork();
​if (0 == pid) {  // 子进程printf("child ppid is %d\n", getppid());  // 打印爹的 id 号sleep(10);  // 子进程睡 10 秒，此过程中父进程已经主动退出了printf("parent ppid is %d\n", getppid());  // 换了个爹} else {  // 这里是父进程printf("parent id is %d\n", getpid());  // 打印自己的 id 号sleep(5);  // 睡 5 秒exit(0);  // 父进程主动退出}
}

运行结果
在这里插入图片描述
进程号1457的进程，它的父亲进程号是1
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进程调度

Linux中特别灵活，有各种各样的调度方案，可以写内核去自定义。
在这里插入图片描述
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进程调度

（目前）Linux 2.6 内核版本采用 CFS 调度策略：Completely Fair Scheduler 完全公平

CFS调度策略：按优先级分配时间片的比例，记录每个进程的执行时间，如果有一个进程执行时间不到他应该分配的比例（比如给了你50%，你只用了10%），就优先执行这个进程作为补偿。
在这里插入图片描述
进程调度基本概念
在这里插入图片描述

Linux 默认调度策略：

1、实时进程：先执行

  • 优先级不一样：使用FIFO策略 (First In First Out)，优先级最高的先执行
  • 优先级一样 ：使用RR策略（Round Robin）轮询

2、普通进程： CFS完全公平策略

在这里插入图片描述

中断

外设的输入随时都有可能到达，cpu如何及时的知道并进行处理呢？

cpu提供中断机制来满足这种需要，当cpu的内部有需要处理的事情发生时，将产生中断信息，引发中断过程，这种中断信息来自cpu内部，还有一种中断信息，来自于cpu外部，当cpu外部有需要处理的事情发生的时候，比如说，外设的输入到达，相关芯片将向cpu发出相应的中断信息。cpu在执行完当前指令后，可以检测到发送过来的中断信息，引发中断过程，处理外设的输入。
在这里插入图片描述
如何用硬件的电信号控制软件的输出的？
1、键盘按下后，CPU去查是哪种类型的中断
2、如果这个中断在中断向量表中，CPU到内存中的一个固定位置找到对应的中断处理程序，进行处理

  • 上半场：内核内部处理
  • 下半场：交给软件处理

在这里插入图片描述

硬中断

键盘、网卡、打印机、时钟计时器的中断，都属于硬中断。

软中断

软件产生的中断，做系统调用时，需要惊动内核。
比如想要和硬盘打交道，需要调用内核，让内核去做硬盘的访问，这是软中断。
软件给内核一个 0x80中断 信号，然后去调用200多个函数中的一个。

阿里面试题：解释80中断的执行过程
int 0x80 是C语言的函数，现在 intel 已经直接移植到了硬件层面，sysenter原语是汇编语言实现的。
bx cx dx si di存储着内核函数的5个参数
比如，InputStream中的read()方法：
在这里插入图片描述

从汇编角度理解80软中断

搭建CentOS汇编环境
yum install nasm

;hello.asm
;write(int fd, const void *buffer, size_t nbytes) 调用了内核空间的write函数
;fd 文件描述符 file descriptor - linux下一切皆文件，网络、硬盘、内存、打印机、屏幕都可以对应到各自的文件描述符
​
section datamsg db "Hello", 0xA ;定义一个字符串hello   0xA是换行len equ $ - msg
​
section .text
global _start
_start:
​mov edx, lenmov ecx, msgmov ebx, 1 ;文件描述符1 表示std_out标准输出mov eax, 4 ;write函数系统调用号 4int 0x80 ;对外输出
​mov ebx, 0mov eax, 1 ;exit函数系统调用号int 0x80

编译：nasm -f elf hello.asm -o hello.o（编译成为二进制）
链接：ld -m elf_i386 -o hello hello.o（和其他引用到的类库进行连接，才能生成可执行文件）

一个程序的执行过程，要么处于用户态，要么处于内核态

在这里插入图片描述

这篇关于Java程序员需要掌握的计算机底层知识（三）：进程、线程、纤程、中断的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/557081。

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