目录

一.Linux线程概念

1-2 分⻚式存储管理

1.2.5两级页表的地址转换

1.2.6缺页异常

1-3线程优点

1-4线程缺点

1-5线程异常

1-6线程用途

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一.Linux线程概念

1-2 分⻚式存储管理

• 所有⻚表的物理地址被⻚⽬录表项指向
• ⻚⽬录的物理地址被 CR3 寄存器 指向，这个寄存器中，保存了当前正在执⾏任务的⻚⽬录地址。

所以操作系统在加载⽤⼾程序的时候，不仅仅需要为程序内容来分配物理内存，还需要为⽤来保存程序的⻚⽬录和⻚表分配物理内存。

1.2.5两级页表的地址转换

1. 在32位处理器中，采⽤4KB的⻚⼤⼩，则虚拟地址中低12位为⻚偏移，剩下⾼20位给⻚表，分成两级，每个级别占10个bit（10+10）。
2. CR3 寄存器 读取⻚⽬录起始地址，再根据⼀级⻚号查⻚⽬录表，找到下⼀级⻚表在物理内存中存放位置。
3. 根据⼆级⻚号查表，找到最终想要访问的内存块号。
4. 结合⻚内偏移量得到物理地址。
5. 注：⼀个物理⻚的地址⼀定是 4KB 对⻬的(最后的 12 位全部为 0 )，所以其实只需要记录物理⻚地址的⾼ 20 位即可。
6. 以上其实就是 MMU 的⼯作流程。MMU(Memory Manage Unit)是⼀种硬件电路，其速度很快，主要⼯作是进⾏内存管理，地址转换只是它承接的业务之⼀。

   

单级⻚表对连续内存要求⾼，于是引⼊了多级⻚表，但是多级⻚表也是⼀把双刃剑，在减少连续存储要求且减少存储空间的同时降低了查询效率。

有没有提升效率的办法呢？计算机科学中的所有问题，都可以通过添加⼀个中间层来解决。 MMU 引⼊了新武器，江湖⼈称快表的 TLB （其实，就是缓存）

        

        

当 CPU 给 MMU 传新虚拟地址之后， MMU 先去问 TLB 那边有没有，如果有就直接拿到物理地址发到总线给内存，⻬活。但 TLB 容量⽐较⼩，难免发⽣ Cache Miss ，这时候 MMU 还有保底的⽼武器⻚表，在⻚表中找到之后 MMU 除了把地址发到总线传给内存，还把这条映射关系给到TLB，让它记录⼀下刷新缓存。如下图所示：

1.2.6缺页异常

CPU 给 MMU 的虚拟地址，在 TLB 和⻚表都没有找到对应的物理⻚，该怎么办呢？其实这就是缺⻚异常 Page Fault ，它是⼀个由硬件中断触发的可以由软件逻辑纠正的错误。

• 假如⽬标内存⻚在物理内存中没有对应的物理⻚或者存在但⽆对应权限，CPU 就⽆法获取数据，这种情况下CPU就会报告⼀个缺⻚错误。
• 由于 CPU 没有数据就⽆法进⾏计算，CPU罢⼯了⽤⼾进程也就出现了缺⻚中断，进程会从⽤⼾态切换到内核态，并将缺⻚中断交给内核的 Page Fault Handler 处理。

缺⻚中断会交给 PageFaultHandler 处理，其根据缺⻚中断的不同类型会进⾏不同的处理：

• Hard Page Fault 也被称为 Major Page Fault ，翻译为硬缺⻚错误/主要缺⻚错误，这时物理内存中没有对应的物理⻚，需要CPU打开磁盘设备读取到物理内存中，再让MMU建⽴虚拟地址和物理地址的映射。
• Soft Page Fault 也被称为 Minor Page Fault ，翻译为软缺⻚错误/次要缺⻚错误，这
  时物理内存中是存在对应物理⻚的，只不过可能是其他进程调⼊的，发出缺⻚异常的进程不知道⽽已，此时MMU只需要建⽴映射即可，⽆需从磁盘读取写⼊内存，⼀般出现在多进程共享内存区域。
• Invalid Page Fault 翻译为⽆效缺⻚错误，⽐如进程访问的内存地址越界访问，⼜⽐如对

  空指针解引⽤内核就会报 segment fault 错误中断进程直接挂掉。

1-3线程优点

• 创建⼀个新线程的代价要⽐创建⼀个新进程⼩得多
• 与进程之间的切换相⽐，线程之间的切换需要操作系统做的⼯作要少很多
• 线程占⽤的资源要⽐进程少很
• 能充分利⽤多处理器的可并⾏数量
• 在等待慢速I/O操作结束的同时，程序可执⾏其他的计算任务
• 计算密集型应⽤，为了能在多处理器系统上运⾏，将计算分解到多个线程中实现
• I/O密集型应⽤，为了提⾼性能，将I/O操作重叠。线程可以同时等待不同的I/O操作。

1-4线程缺点

• 性能损失
  • ⼀个很少被外部事件阻塞的计算密集型线程往往⽆法与其它线程共享同⼀个处理器。如果计算密集型线程的数量⽐可⽤的处理器多，那么可能会有较⼤的性能损失，这⾥的性能损失指的是增加了额外的同步和调度开销，⽽可⽤的资源不变。
• 健壮性降低
  • 编写多线程需要更全⾯更深⼊的考虑，在⼀个多线程程序⾥，因时间分配上的细微偏差或者因共享了不该共享的变量⽽造成不良影响的可能性是很⼤的，换句话说线程之间是缺乏保护的。
• 缺乏访问控制
  • 进程是访问控制的基本粒度，在⼀个线程中调⽤某些OS函数会对整个进程造成影响。
• 编程难度提⾼
  • 编写与调试⼀个多线程程序⽐单线程程序困难得多

1-5线程异常

• 单个线程如果出现除零，野指针问题导致线程崩溃，进程也会随着崩溃
• 线程是进程的执⾏分⽀，线程出异常，就类似进程出异常，进⽽触发信号机制，终⽌进程，进程终⽌，该进程内的所有线程也就随即退出

1-6线程用途

• 合理的使⽤多线程，能提⾼CPU密集型程序的执⾏效
• 合理的使⽤多线程，能提⾼IO密集型程序的⽤⼾体验（如⽣活中我们⼀边写代码⼀边下载开发⼯具，就是多线程运⾏的⼀种表现）

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