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后面几篇文章开始整理多路复用相关的知识,特别是epoll相关的原理介绍。本篇文章是第1篇文章,也是后续知识的基础,笔者觉得只有真正弄清楚了内核态和用户态,才能更好的理解后续的知识。
Linux系统中一切皆文件,仔细想一下Linux系统的很多活动无外乎读操作和写操作,零拷贝就是为了提高读写性能而出现的。
像大白这种调包侠,深知不懂底层技术点就如同空中楼阁,再这样下去面阿里p10是没希望了。
在kernel module中调用printk是最简单的传递信息到用户空间的方法。
大家周末好,今天给大家继续分享linux内核学习。上次讲解到linux内核启动分析的前期准备,还没有去分析linux内核具体启动分析过程,这里我换一种方式来分享,在linux启动后,linux系统接下来会如何进行工作?然后再反过来具体分析linux内核启动过程,启动过程会设计到一些汇编语言,以及这个时候去具体分析c语言代码的话,就真正考验c语言的功底的时候到了;同时c语言的基本功,大家可以去看我以前学习c语言的一些常用c语言用法,我把它搞成了专辑,方便大家查看。
Wasm 最初是以浏览器安全沙盒为目的开发的,发展到目前为止,WebAssembly 已经成为一个用于云原生软件组件的高性能、跨平台和多语言软件沙箱环境,Wasm 轻量级容器也非常适合作为下一代无服务器平台运行时。另一个令人兴奋的趋势是 eBPF 的兴起,它使云原生开发人员能够构建安全的网络、服务网格和多种可观测性组件,并且它也在逐步渗透和深入到内核的各个组件,提供更强大的内核态可编程交互能力。
eBPF 是一项革命性的技术,起源于 Linux 内核,可以在操作系统的内核中运行沙盒程序。它被用来安全和有效地扩展内核的功能,而不需要改变内核的源代码或加载内核模块。eBPF 通过允许在操作系统内运行沙盒程序,应用程序开发人员可以在运行时,可编程地向操作系统动态添加额外的功能。然后,操作系统保证安全和执行效率,就像在即时编译(JIT)编译器和验证引擎的帮助下进行本地编译一样。eBPF 程序在内核版本之间是可移植的,并且可以自动更新,从而避免了工作负载中断和节点重启。
零拷贝(Zero-Copy)是一个大家耳熟能详的概念,那么,具体有哪些框架会使用到零拷贝呢?在思考这个问题之前,让我们先一起探寻一下零拷贝机制的底层原理。
Unix/Linux的体系架构 📷 如上图所示,从宏观上来看,Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态(或者用户空间和内核)。内核从本质上看是一种软件——控制计算机的硬件资源,并提供上层应用程序运行的环境。 用户态即上层应用程序的活动空间,应用程序的执行必须依托于内核提供的资源,包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源,内核必须为上层应用提供访问的接口:即系统调用。 系统调用是操作系统的最小功能单位,这些系统调用根据不同的应用场景可以进行扩展和裁剪,现在各种版本的Uni
一、 Unix/Linux的体系架构 如上图所示,从宏观上来看,Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态(或者用户空间和内核)。内核从本质上看是一种软件——控制计算机的硬件资源,并提供上层应
如上图所示,从宏观上来看,Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态(或者用户空间和内核)。内核从本质上看是一种软件——控制计算机的硬件资源,并提供上层应用程序运行的环境。用户态即上层应用程序的活动空间,应用程序的执行必须依托于内核提供的资源,包括CPU资源、存储资源、I/O资源等。为了使上层应用能够访问到这些资源,内核必须为上层应用提供访问的接口:即系统调用。
Linux 用户态和内核态由于 CPU 权限的限制,通信并不像想象中的使用进程间通信方式那么简单,今天这篇文章就来看看 Linux 用户态和内核态究竟有哪些通信方式。
当调用一次 channel.read 或 stream.read 后,会切换至操作系统内核态来完成真正数据读取,而读取又分为两个阶段,分别为:
这种技术是出现在 IO 操作上的, IO 操作会大量消耗 CPU 的性能,为什么说 IO 操作很容易成为性能瓶颈呢,每一个的 IO 操作都会涉及到操作系统的内核空间和用户空间的转换,真正执行的 IO 操作实际上是在操作系统的内核空间进行。无论是 文件IO ,还是 网络IO ,最后都可以统一为用户空间和内核空间数据的交换。计算机中内存和 CPU 都是非常稀有的资源,应该尽可能提高这些资源的使用效率。 IO 操作经常需要与磁盘就行交互,所以 IO 操作相比于 CPU 的速度要慢好几个数量级。利用这两者之间的速度差异,就可以实现不同种类的 IO 方式,也就是俗称的 IO模型。
Kafka 在执行消息的写入和读取这么快的原因,其中的一个原因是零拷贝(Zero-copy)技术,下面我们来了解一下这么高效的原因。
在DPDK使用环境中,物理网卡收到的报文不再进入内核协议栈,而是直接到达DPDK应用。但是在有些场景中,用户希望把报文(如控制报文)再次发送至内核协议栈进行处理。报文从用户空间再次进入内核的过程在DPDK中称为exception path。
linux的kernel内核外是系统调用,系统调用外是shell、库函数,而应用程序则在最外层
零拷贝作用 : 在网络编程中 , 如果要进行性能优化 , 肯定要涉及到零拷贝 , 使用零拷贝能极大的提升数据传输性能 ;
操作系统是软件,软件运行在内存中。运行在内存中的操作系统由两部分组成:用户空间,内核空间;
Linux内核一直是实现监控/可观测性、网络和安全功能的理想地方,但是直接在内核中进行监控并不是一个容易的事情。在传统的Linux软件开发中,实现这些功能往往都离不开修改内核源码或加载内核模块。修改内核源码是一件非常危险的行为,稍有不慎可能便会导致系统崩溃,并且每次检验修改的代码都需要重新编译内核,耗时耗力。
内核态:cpu可以访问内存的所有数据,包括外围设备,例如硬盘,网卡,cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
—>内核态: CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序 —>用户态: 只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取
在计算机科学中,操作系统是管理计算机硬件与软件资源的核心软件,它负责分配和调度计算机资源,提供各种服务以支持应用程序的运行。操作系统中的用户态和内核态是两个重要的概念,它们定义了应用程序和操作系统之间的交互方式。这篇文章我们将详细解释这两个概念,以及它们在操作系统中的作用和意义。
究竟什么是用户态,什么是内核态,这两个基本概念以前一直理解得不是很清楚,根本原因个人觉得是在于因为大部分时候我们在写程序时关注的重点和着眼的角度放在了实现的功能和代码的逻辑性上,先看一个例子:
当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核运行态(或简称为内核态)。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码中执行。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时,则称其处于用户运行态(用户态)。即此时处理器在特权级最低的(3级)用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时,此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。
Linux 内核最初的源码不足一万行 , 当前的 Linux 内核源码已经有两千万行 ;
进程是操作系统分配资源(CPU、内存、文件)、调度任务和执行的一个基本单位。它拥有独立的内存空间、已分配的资源和独立的执行上下文。 线程是CPU调度的基本单位,同一进程内的线程共享了进程的资源和内存空间。
java的线程是映射到操作系统原生线程之上的,如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入,需要在户态与核心态之间切换,这种切换会消耗大量的系统资源,因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间,专用的寄存器等,用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核,内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等,以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。
本文以 32 位系统为例介绍内核空间(kernel space)和用户空间(user space)。
DMA 的全称叫直接存储器访问(Direct Memory Access),是一种允许外围设备(硬件子系统)直接访问系统主内存的机制。
当进程执行系统调用而陷入内核代码中执行时,我们就称进程处于内核状态。此时处理器处于特权级最高的(0级)内核代码。当进程处于内核态时,执行的内核代码会使用当前的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。
linux驱动程序一般工作在内核空间,但也可以工作在用户空间。下面我们将详细解析,什么是内核空间,什么是用户空间,以及如何判断他们。 Linux简化了分段机制,使得虚拟地址与线性地址总是一致,因此,Linux的虚拟地址空间也为0~4G。Linux内核将这4G字节的空间分为两部分。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)。因为每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux内核由系统内的所有进程共享。于是,从具体进程的角度来看,每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。 Linux使用两级保护机制:0级供内核使用,3级供用户程序使用。从图中可以看出(这里无法表示图),每个进程有各自的私有用户空间(0~3G),这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB字节虚拟内核空间则为所有进程以及内核所共享。 内核空间中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间,它们都处于虚拟空间中。 虽然内核空间占据了每个虚拟空间中的最高1GB字节,但映射到物理内存却总是从最低地址(0x00000000)开始。对内核空间来说,其地址映射是很简单的线性映射,0xC0000000就是物理地址与线性地址之间的位移量,在Linux代码中就叫做PAGE_OFFSET。 内核空间和用户空间之间如何进行通讯? 内核空间和用户空间一般通过系统调用进行通信。 如何判断一个驱动是用户模式驱动还是内核模式驱动? 判断的标准是什么? 用户空间模式的驱动一般通过系统调用来完成对硬件的访问,如通过系统调用将驱动的io空间映射到用户空间等。因此,主要的判断依据就是系统调用。 内核空间和用户空间上不同太多了,说不完,比如用户态的链表和内核链表不一样;用户态用printf,内核态用printk;用户态每个应用程序空间是虚拟的,相对独立的,内核态中却不是独立的,所以编程要非常小心。等等。 还有用户态和内核态程序通讯的方法很多,不单单是系统调用,实际上系统调用是个不好的选择,因为需要系统调用号,这个需要统一分配。 可以通过ioctl、sysfs、proc等来完成。
Kubernetes在2017年赢得了容器编排之战,使得基于容器+Kubernetes来构建PaaS平台成为了云计算的主流方式。在人们把关注的目光都聚焦在Kubernetes上时,容器技术领域在2018年也发生了很多创新,包括amazon最近开源的轻量级虚拟机管理器 Firecracker,Google在今年5月份开源的基于用户态操作系统内核的 gVisor 容器,还有更早开源的虚拟化容器项目 KataContainers,可谓百花齐放。一般的开发者可能认为容器就等于Docker,没想到容器领域还在发生着这么多创新。我在了解这些项目时,发现如果没有一些背景知识,很难get到它们的创新点。我试着通过这篇文章进行一次背景知识的梳理。让我们先从最基本的问题开始:操作系统是怎么工作的?
vmstat是一个很全面的性能分析工具,可以观察到系统的进程状态、虚拟内存使用、磁盘的IO、中断、上下文切换、CPU使用等情况。在操作系统性能分析中,能100%理解vmstat输出的含义并灵活应用,是性能分析必备的基本能力。
啥是内核态呢,内核态就是 linux 内核,用户态则是用户进程中的某个线程,即 io 操作其实就是内核态和用户态的切换。
3G-4G大部分是共享的,是内核态的地址空间。这里存放整个内核的代码和所有的内核模块以及内核所维护的数据。
先说明两个概念:中断和系统调用 一 系统调用: 是应用程序(运行库也是应用程序的一部分)与操作系统内核之间的接口,它决定了应用程序是如何和内核打交道的。 1, Linux系统调用:2.6.19版内核提供了319个系统调用。比如 exit fork read open close …… 2, 对Windows来说,操作系统提供给应用程序的接口不是系统调用,而是API。比如:ReadFile。我们暂时把API和系统调用等同起来 3, Linux中,每个系统调用对应一个系统调用号,内核维护了一个系统调
子虚将全书阅读了三遍以后,顿悟了一个道理:大革命的爆发,其根本原因是因为生产关系无法适应生产力的攀升,从而不得不通过革命这种激烈的方式,来重构原本构建在传统硬件上的落后的基础软件。
内核、shell、文件系统和应用程序。内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构,它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。部分层次结构如图1-1所示。
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