内核空间、进程和线程等概念

用户空间与内核空间

如今操做系统都是采用虚拟存储器，那么对32位操做系统而言，它的寻址空间（虚拟存储空间）为4G（2的32次方）。操做系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，能够访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的全部权限。为了保证用户进程不能直接操做内核（kernel），保证内核的安全，操做系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。针对linux操做系统而言，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为内核空间，而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF），供各个进程使用，称为用户空间。

进程切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复之前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。所以能够说，任何进程都是在操做系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。
从一个进程的运行转到另外一个进程上运行，这个过程当中通过下面这些变化：
    保存处理机上下文，包括程序计数器和其余寄存器。
    更新PCB信息。
    把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。 选择另外一个进程执行，并更新其PCB。
    更新内存管理的数据结构。
    恢复处理机上下文。

进程的阻塞

正在执行的进程，因为期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操做的完成、新数据还没有到达或无新工做作等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使本身由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也所以只有处于运行态的进程（得到CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

文件描述符

文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。
文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者建立一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写每每会围绕着文件描述符展开。可是文件描述符这一律念每每只适用于UNIX、Linux这样的操做系统。

缓存IO

缓存IO又被称做标准IO，大多数文件系统的默认IO操做都是缓存IO。在Linux的缓存IO机制中，操做系统会将IO的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操做系统内核的缓冲区中，而后才会从操做系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。
缓存IO的缺点：
数据在传输过程当中须要在应用程序地址空间和内核进行屡次数据拷贝操做，这些数据拷贝操做所带来的CPU以及内存开销是很是大的。

进程和线程

对于操做系统来讲，一个任务就是一个进程（Process），好比打开一个浏览器就是启动一个浏览器进程，打开一个记事本就启动了一个记事本进程，打开两个记事本就启动了两个记事本进程，打开一个Word就启动了一个Word进程
有些进程还不止同时干一件事，好比Word，它能够同时进行打字、拼写检查、打印等事情。在一个进程内部，要同时干多件事，就须要同时运行多个“子任务”，咱们把进程内的这些“子任务”称为线程（Thread）。
因此应用程序能够有一个或多个进程，一个进程能够有一个或多个线程，其中一个是主线程(线程是进程中的实体,一个线程必须有一个父进程)

多进程

Unix/Linux多进程
Unix/Linux操做系统提供了一个fork()系统调用，它很是特殊。普通的函数调用，调用一次，返回一次，可是fork()调用一次，返回两次，由于操做系统自动把当前进程（称为父进程）复制了一份（称为子进程），而后，分别在父进程和子进程内返回。
子进程永远返回0，而父进程返回子进程的ID。这样作的理由是，一个父进程能够fork出不少子进程，因此，父进程要记下每一个子进程的ID，而子进程只须要调用getppid()就能够拿到父进程的ID。

Windows多进程
Windows没有fork调用，能够用其余方式调用，如python中的multiprocessing模块提供了一个Process

线程，进程，CPU，内存，硬盘的关系

CPU就是控制发布指令和运算处理数据
硬盘存储数据，主要保存数据。经常使用的IO操做指的就是操做硬盘
内存临时存储数据，主要是链接硬盘和CPU，是执行者，根据指令工做
线程是进程的一部分
CPU调度的是线程
系统为进程分配资源(内存)，不对线程分配资源

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