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一切皆是文件:UNIX,Linux 操作系統的設計哲學

2020-08-19 10:37 274 查看

Linux的进程、线程、文件描述符是什么

说到进程,恐怕面试中最常见的问题就是线程和进程的关系了,那么先说一下答案:在 Linux 系统中,进程和线程几乎没有区别

Linux 中的进程就是一个数据结构,看明白就可以理解文件描述符、重定向、管道命令的底层工作原理,最后我们从操作系统的角度看看为什么说线程和进程基本没有区别。

一、进程是什么

首先,抽象地来说,我们的计算机就是这个东西:

这个大的矩形表示计算机的内存空间,其中的小矩形代表进程,左下角的圆形表示磁盘,右下角的图形表示一些输入输出设备,比如鼠标键盘显示器等等。另外,注意到内存空间被划分为了两块,上半部分表示用户空间,下半部分表示内核空间

用户空间装着用户进程需要使用的资源,比如你在程序代码里开一个数组,这个数组肯定存在用户空间;内核空间存放内核进程需要加载的系统资源,这一些资源一般是不允许用户访问的。但是注意有的用户进程会共享一些内核空间的资源,比如一些动态链接库等等。

我们用 C 语言写一个 hello 程序,编译后得到一个可执行文件,在命令行运行就可以打印出一句 hello world,然后程序退出。在操作系统层面,就是新建了一个进程,这个进程将我们编译出来的可执行文件读入内存空间,然后执行,最后退出。

你编译好的那个可执行程序只是一个文件,不是进程,可执行文件必须要载入内存,包装成一个进程才能真正跑起来。进程是要依靠操作系统创建的,每个进程都有它的固有属性,比如进程号(PID)、进程状态、打开的文件等等,进程创建好之后,读入你的程序,你的程序才被系统执行。

那么,操作系统是如何创建进程的呢?对于操作系统,进程就是一个数据结构,我们直接来看 Linux 的源码:

struct task_struct {
// 进程状态
long              state;
// 虚拟内存结构体
struct mm_struct  *mm;
// 进程号
pid_t             pid;
// 指向父进程的指针
struct task_struct __rcu  *parent;
// 子进程列表
struct list_head        children;
// 存放文件系统信息的指针
struct fs_struct        *fs;
// 一个数组,包含该进程打开的文件指针
struct files_struct     *files;
};

task_struct
就是 Linux 内核对于一个进程的描述,也可以称为「进程描述符」。源码比较复杂,我这里就截取了一小部分比较常见的。

其中比较有意思的是

mm
指针和
files
指针。
mm
指向的是进程的虚拟内存,也就是载入资源和可执行文件的地方;
files
指针指向一个数组,这个数组里装着所有该进程打开的文件的指针。

二、文件描述符是什么

先说

files
,它是一个文件指针数组。一般来说,一个进程会从
files[0]
读取输入,将输出写入
files[1]
,将错误信息写入
files[2]

举个例子,以我们的角度 C 语言的

printf
函数是向命令行打印字符,但是从进程的角度来看,就是向
files[1]
写入数据;同理,
scanf
函数就是进程试图从
files[0]
这个文件中读取数据。

每个进程被创建时,

files
的前三位被填入默认值,分别指向标准输入流、标准输出流、标准错误流。我们常说的「文件描述符」就是指这个文件指针数组的索引,所以程序的文件描述符默认情况下 0 是输入,1 是输出,2 是错误。

我们可以重新画一幅图:

对于一般的计算机,输入流是键盘,输出流是显示器,错误流也是显示器,所以现在这个进程和内核连了三根线。因为硬件都是由内核管理的,我们的进程需要通过「系统调用」让内核进程访问硬件资源。

PS:不要忘了,Linux 中一切都被抽象成文件,设备也是文件,可以进行读和写。

如果我们写的程序需要其他资源,比如打开一个文件进行读写,这也很简单,进行系统调用,让内核把文件打开,这个文件就会被放到

files
的第 4 个位置:

明白了这个原理,输入重定向就很好理解了,程序想读取数据的时候就会去

files[0]
读取,所以我们只要把
files[0]
指向一个文件,那么程序就会从这个文件中读取数据,而不是从键盘:

$ command < file.txt

同理,输出重定向就是把

files[1]
指向一个文件,那么程序的输出就不会写入到显示器,而是写入到这个文件中:

$ command > file.txt

错误重定向也是一样的,就不再赘述。

管道符其实也是异曲同工,把一个进程的输出流和另一个进程的输入流接起一条「管道」,数据就在其中传递,不得不说这种设计思想真的很优美:

$ cmd1 | cmd2 | cmd3

到这里,你可能也看出「Linux 中一切皆文件」设计思路的高明了,不管是设备、另一个进程、socket 套接字还是真正的文件,全部都可以读写,统一装进一个简单的

files
数组,进程通过简单的文件描述符访问相应资源,具体细节交于操作系统,有效解耦,优美高效。

三、线程是什么

首先要明确的是,多进程和多线程都是并发,都可以提高处理器的利用效率,所以现在的关键是,多线程和多进程有啥区别。

为什么说 Linux 中线程和进程基本没有区别呢,因为从 Linux 内核的角度来看,并没有把线程和进程区别对待。

我们知道系统调用

fork()
可以新建一个子进程,函数
pthread()
可以新建一个线程。但无论线程还是进程,都是用
task_struct
结构表示的,唯一的区别就是共享的数据区域不同

换句话说,线程看起来跟进程没有区别,只是线程的某些数据区域和其父进程是共享的,而子进程是拷贝副本,而不是共享:

就比如说,

mm
结构和
files
结构在线程中都是共享的:

所以说,我们的多线程程序要利用锁机制,避免多个线程同时往同一区域写入数据,否则可能造成数据错乱。

那么你可能问,既然进程和线程差不多,而且多进程数据不共享,即不存在数据错乱的问题,为什么多线程的使用比多进程普遍得多呢

因为现实中数据共享的并发更普遍呀,比如十个人同时从一个账户取十元,我们希望的是这个共享账户的余额正确减少一百元,而不是希望每人获得一个账户的拷贝,每个拷贝账户减少十元。

当然,必须要说明的是,只有 Linux 系统将线程看做共享数据的进程,不对其做特殊看待,其他的很多操作系统是对线程和进程区别对待的,线程有其特有的数据结构,我个人认为不如 Linux 的这种设计简洁,增加了系统的复杂度。

在 Linux 中新建线程和进程的效率都是很高的,对于新建进程时内存区域拷贝的问题,Linux 采用了 copy-on-write 的策略优化,也就是并不真正复制父进程的内存空间,而是等到需要写操作时才去复制。所以 Linux 中新建进程和新建线程都是很迅速的

Ref: https://github.com/labuladong/fucking-algorithm/blob/master/%E6%8A%80%E6%9C%AF/linux%E8%BF%9B%E7%A8%8B.md

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合抱之木,生于毫末;九层之台,起于垒土;千里之行,始于足下。不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江河。

Kotlin 简介

Kotlin是一门非研究性的语言,它是一门非常务实的工业级编程语言,它的使命就是帮助程序员们解决实际工程实践中的问题。使用Kotlin 让 Java程序员们的生活变得更好,Java中的那些空指针错误,浪费时间的冗长的样板代码,啰嗦的语法限制等等,在Kotlin中统统消失。Kotlin 简单务实,语法简洁而强大,安全且表达力强,极富生产力。

Java诞生于1995年,至今已有23年历史。当前最新版本是 Java 9。在 JVM 生态不断发展繁荣的过程中,也诞生了Scala、Groovy、Clojure 等兄弟语言。

Kotlin 也正是 JVM 家族中的优秀一员。Kotlin是一种现代语言(版本1.0于2016年2月发布)。它最初的目的是像Scala那样,优化Java语言的缺陷,提供更加简单实用的编程语言特性,并且解决了性能上的问题,比如编译时间。 JetBrains在这些方面做得非常出色。

Kotlin语言的特性

用 Java 开发多年以后,能够尝试一些新的东西真是太棒了。如果您是 Java 开发人员,使用 Kotlin 将会非常自然流畅。如果你是一个Swift开发者,你将会感到似曾相识,比如可空性(Nullability)。 Kotlin语言的特性有:

1.简洁

大幅减少样板代码量。

2.与Java的100%互操作性

Kotlin可以直接与Java类交互,反之亦然。这个特性使得我们可以直接重用我们的代码库,并将其迁移到 Kotlin中。由于Java的互操作性几乎无处不在。我们可以直接访问平台API以及现有的代码库,同时仍然享受和使用 Kotlin 的所有强大的现代语言功能。

3.扩展函数

Kotlin 类似于 C# 和 Gosu, 它提供了为现有类提供新功能扩展的能力,而不必从该类继承或使用任何类型的设计模式 (如装饰器模式)。

4.函数式编程

Kotlin 语言一等支持函数式编程,就像Scala一样。具备高阶函数、Lambda 表达式等函数式基本特性。

5.默认和命名参数

在Kotlin中,您可以为函数中的参数设置一个默认值,并给每个参数一个名称。这有助于编写易读的代码。

6.强大的开发工具支持

而由于是JetBrains出品,我们拥有很棒的IDE支持。虽然Java到Kotlin的自动转换并不是100% OK 的,但它确实是一个非常好的工具。使用 IDEA 的工具转换Java代码为 Kotlin 代码时,可以轻松地重用60%-70%的结果代码,而且修改成本很小。

Kotlin 除了简洁强大的语法特性外,还有实用性非常强的API以及围绕它构建的生态系统。例如:集合类 API、IO 扩展类、反射API 等。同时 Kotlin 社区也提供了丰富的文档和大量的学习资料,还有在线REPL。

A modern programming language that makes developers happier. Open source forever

图来自《Kotlin从入门到进阶实战》 (陈光剑,清华大学出版社) 图来自《Kotlin从入门到进阶实战》 (陈光剑,清华大学出版社)

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