【Linux】多线程概念再理解

1. 物理内存与磁盘的关系

如何理解物理内存？

物理内存的宽度为1字节 如使用c语言，可以定义出char类型(1字节)，在虚拟地址空间上可以把1字节的单位映射到内存中

如果认为内存是按照字节为单位去划分的，实际上是不正确的

• 把数据从磁盘换入物理内存，把数据从物理内存换入磁盘，是一个高频的工作，物理磁盘是一个机械设备，作为外设 整体会很常慢，使整机的效率低下，若过多进行IO，就导致过多的寻址操作，即 效率低下
• 当有100MB的空间写到磁盘中，1次写入到磁盘中，还是分100次写入，每次写入1MB的数据 那个效率高？
• 1次写入到磁盘中肯定是更高，因为只需要一次寻址操作
• 说明OS和磁盘进行IO交互时，绝对不是按照字节为单位的，而是要按照 块(4KB) 为单位
• 若只想修改一个比特位，也必须IO4KB，因为 4KB 作为一个块 是一个整体

若要把文件加载到内存，以4KB为单位，需要在两个方面下考虑

1.文件系统 +编译器 若要从外设磁盘中读取4KB，前提是文件系统认4KB，文件本身按照4KB进行存储 所以文件在磁盘时，就以块为单位的4KB 文件也包括可执行程序和动态库，也是需要存到磁盘上的，都要按照4KB为单位储存到磁盘上

2.操作系统+内存 当磁盘按照4KB的方式把数据存好， 物理内存也要提供保存4KB的数据空间

把物理内存中存放数据的空间称之为 页框 磁盘中数据块称之为 页帧 内存在实际进行内存管理的时候，也要是4KB为单位的

内存管理的本质：将磁盘中特定的4KB块(数据内容)放入到哪一个物理内存的4KB空间(数据保存的空间)

凭什么物理内存要分为一个个4KB大小？

操作系统要管理这些配置 而管理的本质是先描述，在组织 先描述 内核中，有对应的配置数据结构struct page 来管理对应的配置 struct page 是一个结构体，包含这个配置的状态 再组织 通过数组的方式来进行管理

数组有下标存在，物理内存中分别对块进行编号0-n ， 若想要在查询物理内存中那些位置被占用，通过找到对应数组下标，即可看到对应的结构体里面对应的状态 若没有分配，则将状态置为1

若以块方式存储，则多出的空间是否浪费？

假设访问一段代码只有10个字节，load时以4KB为块进入磁盘中，则会多出来2KB的空间

局部性原理的特性， 允许提前加载正在访问数据的相邻或者附近的数据

通过预先加载要访问数据的附近的数据来减少未来的IO次数 多加载进来的数据，本质就是 数据的预加载

如果还不懂，则点击查看：局部性原理详细解释

2. 虚拟地址到物理地址的转换

一个虚拟地址对应32个比特位 虚拟地址不是被整体使用的，被划分 10 +10 +12

在这里插入图片描述

当前页表需要2^10行 根据前10个比特位的二进制序列，找到页表1所对应的位置

在这里插入图片描述

页表1的左侧代表 前10个比特位，右侧代表另一个页表的起始地址 根据 第二个 10个比特位，找到页表2对应的位置 页表2的左侧代表 第二个 10个比特位 ， 右侧代表物理地址(页框的起始地址) 对应页框的起始地址+ 虚拟地址的低12个比特位对应的地址数据 本质为 页内偏移

定位到页框内的任意地址

3. 缺页中断

申请物理内存后，不一定立马用，若立马申请物理内存，不用就导致内存一直被占着，处于闲置的状态,不是高效的表现

实际申请malloc内存时，操作系统只要给你在虚拟地址空间上申请就行了，当真正访问时，操作系统会自动申请或者填充页表以及申请具体物理内存

在这里插入图片描述

MMU查询页表找不到，但确实空间已经申请了，就会触发缺页中断， OS会执行对用的处理方法 即申请物理内存用于填充页表，再返回继续执行代码

4. 为什么字符常量区是不允许被修改的？

hello world在常量区，只能被读取，不能被修改，所以*s='w'，是错误的

s里面保存的是指向的字符的虚拟起始地址 *s寻址时，会伴随虚拟地址到物理地址的转换

通过查页表的方式，对操作进行权限查询，发现只有读的权限，但没有修改的权限，所以MMU(内存管理单元)异常， OS识别到异常，给目标进程发送信号 即 在内核态转换为用户态时，进行信号处理---终止进程

5. 线程缺点

1. 性能损失 创建过多的线程，只有少数在运行，大多数的线程来回被调度 造成性能损失 即多线程创建不合理

2.健壮性降低 如果一个线程出现问题，可能会对整个进程造成影响

3.缺乏访问控制 每个执行流通过同一个地址空间看到的资源是相同的

对于健壮性降低的验证

共有三个死循环，若只有一个执行流，三个死循环不可能执行 若都执行了一定有三个执行流

说明有三个执行流

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LWP称为轻量级进程 即线程 每个线程的PID相同，说明属于同一个进程 PID与LWP相同，说明是主线程

在线程2中设置非法操作，使线程崩溃

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运行时会发生段错误， 刚开始线程是可以运行的，但是发生段错误后，进程崩溃了

在多线程程序中，任何一个线程崩溃了，最终都会导致进程崩溃

缺乏访问控制的验证

在这里插入图片描述

定义一个全局变量，线程1和主线程把全局变量的地址和全局变量的数据打印出来 线程2把全局变量的地址和数据的同时，把数据++

当有一个线程中的数据修改后，所有的线程中的数据都跟着修改

以全局变量为例，在多线程场景中，多个线程看到的是同一个全局变量