操作系统基础 | 2.6 linux组成概述3

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内存映射（Memory Mappings）

  • mmap() 系统调用可以在进程的虚拟地址空间中创建新的内存映射。
  • 映射分为两类：
    1. 文件映射（file mapping）：将文件的一部分映射到进程的虚拟内存，映射后可以像操作内存一样访问文件内容，所需页面会自动从文件加载。
    2. 匿名映射（anonymous mapping）：不对应任何文件，映射区域的内容初始化为0。
  • 不同进程之间可以共享同一内存映射（如两个进程映射同一文件区域，或子进程继承父进程的映射）。
  • 如果映射是私有的（private），对映射内容的修改不会影响其他进程，也不会写回文件；如果是共享的（shared），修改会被其他进程看到，并同步到文件。
  • 内存映射的用途包括：初始化进程代码段、分配新内存、文件I/O（内存映射I/O）、进程间通信（共享映射）等。

静态库与共享库（Static and Shared Libraries）

静态库（Static libraries）

  • 静态库（archive）是包含一组已编译函数的文件，便于程序开发和维护。
  • 使用静态库时，链接器会将需要的目标模块从库中复制到最终的可执行文件中，称为静态链接。
  • 典型例子：/usr/lib/libm.a（数学库的静态库，扩展名为 .a）
  • 缺点：
    • 每个可执行文件都包含一份库函数代码，浪费磁盘空间。
    • 多个程序同时运行时，每个都需加载自己的库函数副本，浪费内存。
    • 如果库函数更新，所有用到该函数的程序都必须重新链接。

共享库（Shared libraries）

  • 共享库为了解决静态库的问题而设计。
  • 程序链接共享库时，链接器只在可执行文件中记录需要的共享库，运行时由动态链接器加载和链接共享库。
  • 典型例子：/lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6（数学库的共享库，扩展名为 .so），/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6（C 标准库的共享库）
  • 优点：
    • 只需在内存中保留一份共享库代码，所有程序共享，节省内存和磁盘空间。
    • 更新共享库后，所有程序下次运行时自动使用新版本，无需重新链接。

进程间通信与同步（Interprocess Communication and Synchronization）

在运行中的 Linux 系统中，存在大量进程，其中许多进程彼此独立运行。但有些进程需要协作完成任务，这就需要进程间通信（IPC）和同步机制。

  • 最简单的通信方式是通过读写磁盘文件，但这种方式通常太慢且不灵活。

  • 因此，Linux（和所有现代 UNIX 系统）提供了丰富的进程间通信机制，包括：

    • 信号（signals）：用于通知进程某个事件发生。
    • 管道（pipes）和命名管道（FIFOs）：用于在进程间传递数据（如 shell 中的 | 操作符）。
    • 套接字（sockets）：可用于同一主机或不同主机间的进程数据传输。
    • 文件锁（file locking）：允许进程锁定文件的某些区域，防止其他进程读取或修改内容。
    • 消息队列（message queues）：用于在进程间交换消息（数据包）。
    • 信号量（semaphores）：用于进程间的同步操作。
    • 共享内存（shared memory）：允许多个进程共享一块内存区域，任何进程对其内容的更改都能被其他进程立即看到。

信号（Signals）

  • 信号常被称为“软件中断”。信号的到来通知进程某个事件或异常情况发生。
  • 信号有多种类型，每种类型代表不同的事件或条件。每种信号类型由一个整数标识，并有类似 SIGxxxx 的符号名。
  • 信号可以由内核、其他进程（有权限时）或进程自身发送。例如，内核会在以下情况下向进程发送信号：
    • 用户在键盘上输入中断字符（通常是 Ctrl+C）
    • 进程的某个子进程终止
    • 进程设置的定时器（闹钟）到期
    • 进程试图访问无效内存地址
  • 在 shell 中，可以用 kill 命令向进程发送信号；在程序中可以用 kill() 系统调用实现同样的功能。

当进程收到信号时，会根据信号类型采取以下动作之一： - 忽略信号 - 被信号杀死 - 被挂起，直到收到特定信号后恢复

对于大多数信号类型，程序可以选择忽略信号（如果默认动作不是忽略），或者设置信号处理函数（signal handler）。信号处理函数是程序员自定义的函数，在信号送达进程时自动调用，用于处理相应的事件。

信号从产生到送达进程之间的这段时间，称为信号“挂起”（pending）。通常，挂起信号会在进程下次被调度运行时立即送达，如果进程正在运行则立即送达。但也可以通过将信号加入进程的信号屏蔽字（signal mask）来阻塞信号。如果信号在被阻塞时产生，它会一直处于挂起状态，直到被解除阻塞（即从信号屏蔽字中移除）后才送达。

线程（Threads）

  • 在现代 UNIX 实现中，每个进程可以拥有多个执行线程。
  • 可以将线程理解为一组共享同一虚拟内存（以及其他属性）的“轻量级进程”。每个线程执行相同的程序代码，并共享数据区和堆区，但每个线程有自己的栈（用于存放局部变量和函数调用信息）。
  • 线程之间可以通过共享的全局变量进行通信。线程库还提供了条件变量（condition variables）和互斥锁（mutexes）等原语，用于线程间的通信和同步，特别是对共享变量的访问控制。
  • 线程也可以使用前面介绍的进程间通信（IPC）和同步机制进行通信。
  • 使用线程的主要优点：
    • 线程间共享数据（通过全局变量）非常方便。
    • 某些算法用多线程实现比多进程实现更自然。
    • 多线程应用可以充分利用多处理器硬件，实现并行处理。

进程组与 Shell 作业控制（Process Groups and Shell Job Control）

  • shell 启动的每个程序都会在新进程中运行。例如，下面的管道命令会创建三个进程： 
    1
    $ ls -l | sort -k5n | less
  • 除 Bourne shell 外，所有主流 shell 都支持“作业控制”功能，允许用户同时执行和管理多个命令或管道。
  • 在支持作业控制的 shell 中，管道中的所有进程会被放入一个新的进程组（job）中。对于单条命令，也会创建只包含一个进程的进程组。
  • 每个进程组中的进程都有相同的进程组标识符（process group ID），该 ID 通常等于组内某个进程（称为进程组领导者）的进程 ID。
  • 内核支持对进程组的操作（如发送信号），shell 利用这一特性实现对整个管道作业的挂起、恢复等控制。