总结

Posted 2020-11-18 alruddy

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了总结相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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计算机软件体系结构

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每个层次之间的通信的协议叫做接口(Interface)。
开发工具和应用程序在同一层，称之为操作系统应用程序接口(API: Application Programming Interface)。API由运行库来提供，什么样的运行库提供什么样的API。Linux下的glibc提供POSIX的API， Windows提供Windows的API。
运行库使用操作系统提供的系统调用接口。系统调用常常使用软件中断来实现。Linux常常使用0x80号中断。
操作系统的硬件接口的使用者，操作系统与硬件进行通信的协议称之为硬件规格。

操作系统

操作系统的官方解释：操作系统是一组控制和管理计算机系统中所有资源的程序的集合。
操作系统的功能：
处理机(CPU)管理
单道程序、多道程序调度
因为CPU处理速度与I/O速度的极大差距，所以产生了多种CPU调度方式，比如分时系统，多任务系统。
存储管理
设备管理
文件管理
网络管理

内存问题

程序简单装入内存：分配连续的程序需要的全部的物理内存。
例如： PA 需要内存10M, PB需要内存100M, PC需要20M
将前10M分配给A， 10~110M分配给B，这样可以同时运行。
存在问题：

地址空间不隔离
内存使用效率低
程序运行地址不确定
解决办法：
分段：设置虚拟地址机制，将程序的段通过映射函数映射到物理内存中
分段优点：分段解决了地址空间不隔离，和程序运行地址重定位的问题，他通过映射使得物理地址对于程序来说的透明的
分段存在问题：但是并没有解决内存使用效率低的问题，因为大块内存的出现会使得出现类似内存碎片得东西。
分页：使用更小得粒度来进行内存分割和映射。
一般来说，4KB作为页大小。

线程和进程

线程定义

线程，轻量级进程，是程序执行流的最小单元。由线程ID,当前指令指针、寄存器集合和堆栈组成。
进程和线程之间的关系
一个进程由一个或者多个线程组成，各个线程之间共享进程级资源(打开的文件或者信号)和程序的内存空间(代码段、数据段、堆)。
为什么使用多线程：

单线程存在阻塞等待，利用多线程来避免，利用等待时间进行其他操作
逻辑本身要求多线程，多段通信下载
多核计算机成为单线程程序的效率上限
数据共享方面的优势

线程的访问权限

线程调度

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线程调度方式：优先级调度、轮转法
优先级调度中的几个概念：
频繁等待的线程称为IO密集型线程
很少等待的线程称为CPU密集型线程
一般来说，IO密集型的线程的优先级较之CPU密集型的线程的优先级要高。
线程优先级变更的方式：

用户使用函数来进行指定setThreadPriority
根据进入等待状态的频繁程度来进行优先级的提升和降低
长时间得不到执行而提升

可抢占线程和不可抢占线程

所谓抢占就是在某个线程在时间片没有用完的前提下，强制从执行状态进入就绪状态。
不可抢占线程中也有线程主动放弃执行的情况：

主动放弃时间片
试图等待某事件发生的时候

Linux的多线程

不同于Windows系统， Linux系统对于多线程的支持并不是那么完善。
Linux对于每一个执行实体都称之为任务，这是一个单线程的进程，具有内存空间，执行实体。
具有着共享同一个内存空间的多任务构成了一个进程，这些任务也就成了进程的线程。
Linux创建线程的方式：
fork()函数产生一个与当前进程一样的新进程，产生的新进程与主进程之间共享着写时复制的内存空间。
exec()系列函数是使用一个新的可执行文件映像。
利用fork产生新进程，然后再新进程中使用exec来产生新任务。

还有一个函数是clone()，产生新任务，并从指定位置执行，可以继承父进程的某些可选资源。

线程安全

多进程中对于非原子性操作，出现操作竞争，会出现重复写入，延迟读的情况。
原子性操作：对于CPU来说是单指令操作。
提高线程安全性的方法：

使用操作系统提供的原子性的操作
使用同步和锁机制
同步和锁
同步(synchronization)：在当前进程没有完成数据访问之前，其他线程不能够对该数据进行访问。
锁(Lock)：在访问资源之前首先试图获得锁，在访问结束后释放锁。如果在访问之前获得锁失败，线程会等待，直到锁重新可用。
常见的锁：
二元信号量：只有两种状态， 占用和非占用。
多元信号量： n元信号量，如果获得该锁后，信号量减一，释放锁后，信号量加一，当信号量为负数时就进入等待状态。
互斥量(mutex) 与二元信号量很像。但是不同的是，信号量可以有其他线程获取并释放。但是互斥量要求哪个线程获得的互斥量，哪个线程就需要释放，其他线程无法释放。
临界区 比互斥量更加严格的手段。与互斥量的区别是：临界区的范围仅仅限制与本进程，其他进程无法获得该锁。
读写锁 对某一个资源的锁有两种共享S锁和都独占X锁

可重入的概念：
过度优化问题：编译器对于程序的优化，使得并不能让程序按照我们想象的方式来进行。
例如单例模式：

volatile T *pInst = 0;
T *getInstance() {
    if (pInst == NULL) {
        lock();
        if (pInst == NULL) {
            pInst = new T;
        }
        unlock();
    }
    return pInst;
}

这个单例模式其实是有问题的，问题来源与CPU乱序执行。
C++中new包含两个步骤：

分配内存
调用构造函数
所以那个pInst=new T;包含三个步骤：
分配内存
调用构造函数

将内存首地址赋值给pInst
其中第二步和第三步是可以颠倒顺序的。
线程A 在先给pInst赋值后并没有完成构造，线程B这个时候调用getInstance会返回一个没有构造完成的T给用户使用。
解决办法：

#define barrier() __asm__ volatile ("lwsync")
volatile T *pInst = 0;
T *getInstance() {
if (pInst == NULL) {
    lock();
    if (pInst == NULL) {
        T *temp = new T;
        barrier();
        pInst = temp;
    }
    unlock();
}
return pInst;
}