操作系统和Web服务器那点事儿
操作系統(tǒng)老大
又一個(gè)進(jìn)程啟動(dòng)了，操作系統(tǒng)老大嘆了一口氣，畢竟自己的肩頭又多了一份責(zé)任。
讓人煩惱的是，新來(lái)的家伙們很無(wú)知，幾乎就是一張白紙。有些老實(shí)本分的會(huì)按照自己的規(guī)矩來(lái)做事，有些刺頭兒喜歡問(wèn)這問(wèn)那，時(shí)不時(shí)還想搞點(diǎn)非法的訪問(wèn)，想訪問(wèn)別的進(jìn)程的地址空間，甚至想訪問(wèn)內(nèi)核的代碼和數(shù)據(jù)！ 這時(shí)候，我只有把他kill掉祭天，留下一個(gè)core dump的尸體讓碼農(nóng)們?nèi)シ治觥?/p>
規(guī)矩很重要！
想到此處，老大又看了一眼自己的內(nèi)核空間，這個(gè)機(jī)器只有可憐巴巴的4G內(nèi)存，0-3G給各個(gè)進(jìn)程共享使用，自己獨(dú)占了從3G-4G的內(nèi)存空間。
新啟動(dòng)的進(jìn)程是一個(gè)Web服務(wù)器，自稱(chēng)小W，這是個(gè)喜歡問(wèn)問(wèn)題的家伙，他第一個(gè)問(wèn)題就是： ”老大，你為啥不和群眾打成一片，反而自己要獨(dú)占空間呢？“
“這是為你們好？”
“為我們好？ ”
“計(jì)算機(jī)的硬件資源是有限的，硬盤(pán)、內(nèi)存、網(wǎng)卡，鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，時(shí)鐘...... 如果任由你們這些進(jìn)程隨意訪問(wèn)，大家你爭(zhēng)我搶，豈不亂套？”?
“再說(shuō)了，那些底層的硬件、驅(qū)動(dòng)操作是極其麻煩的，讓你們每個(gè)進(jìn)程都去寫(xiě)那些‘惡心’的代碼，你們受得了嗎？ “
”還有，如果某個(gè)惡意的家伙故意搗亂，那還了得？”
老大的三連問(wèn)簡(jiǎn)直是振聾發(fā)聵， 小W立刻覺(jué)得氣短了三分。
“所以你就不讓我們直接訪問(wèn)了？”
“對(duì)啊，我就做了一個(gè)抽象層，你們必須通過(guò)這個(gè)抽象層來(lái)訪問(wèn)硬件資源。這個(gè)抽象層之下就是我的內(nèi)核，是我的代碼和數(shù)據(jù)，所以我必須得單獨(dú)居住，不能和你們混在一起?！?/p>
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系統(tǒng)調(diào)用
“那我想訪問(wèn)一個(gè)硬盤(pán)上的文件，到底該怎么辦？” 小W問(wèn)道。
“非常簡(jiǎn)單，我的抽象層中有對(duì)外提供的接口，叫做系統(tǒng)調(diào)用，例如read、open、close等。 你可以open 一個(gè)文件，read它的內(nèi)容，讀完了close。”
“聽(tīng)起來(lái)好像是函數(shù)調(diào)用啊！”
“對(duì)，就是函數(shù)調(diào)用，但是和你內(nèi)部的函數(shù)調(diào)用有本質(zhì)的不同，這種系統(tǒng)調(diào)用會(huì)讓你從用戶(hù)態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，?也就是到我的內(nèi)核代碼中來(lái)執(zhí)行！”
小W懵懂地點(diǎn)點(diǎn)頭，似乎明白了。
他應(yīng)該沒(méi)有明白，他也明白不了， 操作系統(tǒng)老大心里想，系統(tǒng)調(diào)用之復(fù)雜遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)他的想象。
首先所有Linux的系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)都是通過(guò)寄存器而不是棧來(lái)傳遞的，按照慣例寄存器EAX保存了系統(tǒng)調(diào)用的編號(hào)（例如1表示exit這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，2表示fork,3表示read......），寄存器EBX,ECX,EDX,ESI,EDI可以包含最多6個(gè)任意的參數(shù)。
比如：write(1,"hello",5);
這就是個(gè)系統(tǒng)調(diào)用， 就是向stdout(控制臺(tái))輸出一個(gè)字符串，在運(yùn)行時(shí)，必須把寄存器給設(shè)置好：
EAX = 4 (4表示系統(tǒng)調(diào)用的編號(hào))
EBX = 1 ?(1 表示stdout)
ECX = 那個(gè)字符串的地址
EDX = 字符串的長(zhǎng)度
然后調(diào)用int 0x80 系統(tǒng)中斷，這就進(jìn)入了內(nèi)核， 我會(huì)取出EAX， 從一個(gè)內(nèi)核的表格中查到第4號(hào)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理程序來(lái)執(zhí)行。
對(duì)了，我還需要把CPU的特權(quán)等級(jí)從3置為0，表示內(nèi)核態(tài)。
看看，我容易嗎我！ ?操作系統(tǒng)心里略微有點(diǎn)傷感。
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read 和 write
這時(shí)候小W探出頭來(lái)，興奮地說(shuō)：“hi ，老大，有客戶(hù)要訪問(wèn)咱們硬盤(pán)的文件，我得讀取一下，然后通過(guò)socket發(fā)出去。是不是需要系統(tǒng)調(diào)用了？”
“那是肯定的，訪問(wèn)文件系統(tǒng)必須得通過(guò)我，訪問(wèn)socket也得通過(guò)我，不用系統(tǒng)調(diào)用怎么可能？ 除去open ,close， 你需要兩個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)調(diào)用：”
// 從文件（用fd表示）中讀取len長(zhǎng)度的內(nèi)容，放到buffer中
read(fd, buffer, len);??
// 把buffer中長(zhǎng)度為len 的內(nèi)容寫(xiě)入到socket中(用sockfd表示)
write(sockfd, buffer, len);
（注： read和write 應(yīng)該是sys_read和sys_write的“包裹”函數(shù)，我們這里簡(jiǎn)化，認(rèn)為就是直接的函數(shù)調(diào)用。）
“好滴！” 小W做了一些準(zhǔn)備工作，然后便開(kāi)始read， 然后滿(mǎn)心歡喜地等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。
操作系統(tǒng)收到read調(diào)用，陷入內(nèi)核，正式進(jìn)入了內(nèi)核態(tài)，然后毫不客氣地暫停了小W的執(zhí)行，讓他進(jìn)入了阻塞隊(duì)列（假設(shè)小W只有一個(gè)線程）。
小W表示不滿(mǎn)：“怎么不讓我運(yùn)行了？”
“讀取文件太慢，你先歇會(huì)兒，數(shù)據(jù)來(lái)了會(huì)通知你的?！?/p>
老大使用DMA（Direct Memory Access）的方式把文件的數(shù)據(jù)從硬盤(pán)復(fù)制到了內(nèi)核的緩沖區(qū)， 然后又復(fù)制到了用戶(hù)的緩沖區(qū)，read調(diào)用完成，返回用戶(hù)態(tài) ，小W可以繼續(xù)執(zhí)行了。
小W要通過(guò)socket發(fā)送數(shù)據(jù)，于是又發(fā)出了write調(diào)用，再次陷入內(nèi)核，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。
老大把數(shù)據(jù)又從用戶(hù)緩沖區(qū)復(fù)制到socket緩沖區(qū)， write調(diào)用返回，返回用戶(hù)態(tài)。
小W問(wèn)道：“這次這么快就返回了？數(shù)據(jù)發(fā)出去沒(méi)有啊？”
老大說(shuō)：“這就不用你操心了，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)會(huì)在合適的時(shí)候發(fā)送的，這是個(gè)異步的操作?！?/p>
小W畫(huà)了一張圖，試圖理解整個(gè)過(guò)程，等他把圖畫(huà)完，不由得咂舌：“嘖嘖，這么兩個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)調(diào)用，代價(jià)竟然如此之高啊。”
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(1) 需要進(jìn)入內(nèi)核態(tài)兩次，返回兩次。
(2) 數(shù)據(jù)居然發(fā)生了三次復(fù)制，硬盤(pán)-->內(nèi)核緩沖區(qū)-->用戶(hù)緩沖區(qū)-->socket緩沖區(qū)
如果說(shuō)第一次從硬盤(pán)到內(nèi)核緩沖區(qū)必不可少，后面的兩次就太浪費(fèi)了。
老大說(shuō)：“你看到了吧，系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)很大啊，以后要少點(diǎn)調(diào)用啊。”
小W說(shuō)：“我覺(jué)得你這個(gè)內(nèi)核雖然保護(hù)了硬件，但是導(dǎo)致效率很低啊，能不能優(yōu)化一下，省去用戶(hù)態(tài)<-->核心態(tài)之間的數(shù)據(jù)復(fù)制？ 這太浪費(fèi)了！”
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sendfile
老大哈哈一笑， 說(shuō)道： “我早就料到了這一層，我這里還有個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，叫做sendfile，你可以試試啊，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，可以直接把文件內(nèi)容發(fā)給socket。 ”
sendfile(socket, file, len);
小W一看，不錯(cuò)啊，自己只需要調(diào)用sendfile，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)一次就可以了，老大可以把數(shù)據(jù)從硬盤(pán)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)，然后直接復(fù)制到socket緩沖區(qū)， 完全不用自己介入，就用它了！
可是轉(zhuǎn)念一想，這從內(nèi)核緩沖區(qū)到socket緩沖區(qū)的復(fù)制有必要嗎？ 那個(gè)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)不能直接從內(nèi)核緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)嗎？
老大似乎看穿了小W的心思，說(shuō)道：“我知道你在想啥，放心吧， 我早就做了優(yōu)化了，不會(huì)把數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)復(fù)制到socket緩沖區(qū)，相反，我只會(huì)把一些位置和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息復(fù)制過(guò)去，很省事的。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)可以直接從內(nèi)核緩沖區(qū)讀去數(shù)據(jù)。”
小W放心了，開(kāi)始使用這種sendfile的方式，果然，性能大為提升！
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?這其實(shí)就是所謂的zero copy技術(shù)， 從內(nèi)核角度看，除了把文件從硬盤(pán)讀出來(lái)之外，沒(méi)有任何的額外copy。
zero copy技術(shù)減少了上下文的切換，避免了數(shù)據(jù)不斷地在用戶(hù)態(tài)和核心態(tài)搬運(yùn)，不需要CPU參與數(shù)據(jù)的復(fù)制，提高了系統(tǒng)性能，在ngnix, apache等web 服務(wù)器中都引入了zero copy技術(shù)。
《新程序員》：云原生和全面數(shù)字化實(shí)踐50位技術(shù)專(zhuān)家共同創(chuàng)作，文字、視頻、音頻交互閱讀總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统和Web服务器那点事儿的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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