计算机组成和IO

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计组和Epoll：

计算机组成原理：

内核、cpu指令集、寄存器、GDT、IDT、PCB、进程状态、内核进程队列、内核进程调度、中断、DMA、系统调用、用户态内核态


1、内核：内核是计算机操作系统的核心，负责管理计算机硬件和软件资源，以及提供各种系统服务。内核通常被分为内核态和用户态两种，内核态拥有最高的特权级，可以直接访问硬件资源和操作系统底层的接口，而用户态只能通过系统调用来访问这些资源和接口。

2、CPU指令集：CPU指令集是CPU执行的指令集合，包括操作数和操作码。不同的CPU架构有不同的指令集，例如x86架构的CPU指令集是x86指令集，ARM架构的CPU指令集是ARM指令集等。

3、寄存器：寄存器是CPU内部的一组存储器，用于临时存储数据和指令。通常有通用寄存器、专用寄存器、标志寄存器等。

4、GDT：全局描述符表（Global Descriptor Table）是用于内存分段和管理的数据结构，存放了实模式和保护模式下的段描述符，它是在操作系统启动时被创建的。

5、IDT：中断描述符表（Interrupt Descriptor Table）是用于管理中断和异常的数据结构，存放了中断和异常处理程序的地址和特权级等信息。

6、PCB：进程控制块（Process Control Block）是操作系统中用于管理进程的数据结构，包含进程的状态、程序计数器、寄存器、内存地址空间、资源使用情况等信息。

7、进程状态：进程可以处于运行、就绪、阻塞等状态。

8、内核进程队列：内核进程队列是操作系统中用于存放进程控制块的队列，不同状态的进程控制块被存放在不同的队列中。

9、内核进程调度：内核进程调度是操作系统中负责控制进程执行顺序的机制，通过将进程从就绪队列移到运行队列，或者从运行队列移到阻塞或就绪队列来实现。

10、中断：中断是指CPU在执行指令过程中响应硬件或软件事件，以便及时处理这些事件。

11、DMA：直接内存访问（Direct Memory Access）是一种独立于CPU的输入输出技术，通过在内存和设备之间直接传输数据，提高了计算机系统的性能。

12、系统调用：系统调用是用户程序通过中断进入内核态执行的函数，用于访问操作系统提供的底层服务，例如文件操作、进程管理、网络通信等。

13、用户态和内核态：用户态指应用程序运行的状态，其对CPU和硬件资源的访问是受限的，只能通过系统调用等方式来访问内核资源。内核态指操作系统内核运行的状态，其对CPU和硬件资源的访问不受限制，可以直接访问硬件资源和系统内部接口。

【我讲了一个精讲IO课程，比较细节的io剖析】

https://zhuanlan.zhihu.com/p/355582245

网络数据接收的流程：

【linux中，数据到达 从网卡、缓冲区、dma、中断、socket、回调函数、状态管理、epoll红黑树，整个流程描述一下】

在Linux中，当网络数据到达时，其整个处理流程包括以下几个步骤：

1. 从网卡接收数据

当数据从网络上到达时，它首先会被网卡接受，通过DMA copied到主内存缓冲区。在这个过程中，网卡会触发一个中断，通知内核有数据到达。

2. 内核缓存处理

内核会将接收到的数据复制到协议栈的接收缓冲区中，并在缓冲区中为数据分配一个数据包（sk_buff）结构。接着，内核会分析数据包，将其解析成相应的协议头和协议数据。

3. 中断处理

当网卡完成对数据的接收并将数据复制到内存中后，内核会处理接收中断。在中断处理程序中，内核会触发网络协议栈中的回调函数，根据数据包的协议类型，将数据包传递给相应的处理函数进行处理。

4. Socket 接口

处理函数将数据包处理后，将结果返回给内核，之后内核会通过sock结构体中的socket信息找到目标socket。然后将完中断状态下的数据拷贝到socket对应的缓存中进行存储【recv queue   缓冲区】。

5. 回调函数处理

内核会调用socket的回调函数来处理接收到的数据，以更新socket的状态【即事件 readable】。回调函数负责把接收到的数据写入接收缓冲区，同时检查是否有等待该socket数据的进程（应用程序），如果有，则唤醒这些进程【BIO,如果读取不到，进程会block状态进入内核的阻塞队列】。

6. 状态管理

内核会使用红黑树结构来维护当前所有的socket状态。当一个socket的接收缓冲区有数据可读时，内核会将该socket的节点插入到红黑树中。反之，当socket的接收缓冲区为空时，则将其节点从红黑树中移除。【不精准；NIO，read不block，立刻返回，如果recv queue；但是，还得循环read，靠的状态识别】
【------select机制怎么实现的】
7. Epoll 监听

当应用程序使用epoll机制监听一个或多个socket时，内核会将监听的socket插入到一个epoll文件描述符的红黑树中。【【当有数据到达时，内核会在红黑树中寻找相应socket的节点，并触发epoll事件通知应用程序进行读取】】。【红黑树的特点：自旋平衡的树；一个系统有5000个连接，但是，当前程序只持有其中1000个】

综上，这个过程经历了网卡接收、内核缓存、中断、Socket接口、回调函数处理、状态管理及Epoll监听等多个阶段，并使用了多种数据结构和回调函数来协同工作，从而最终实现对网络数据的处理和传输。

内核如何管理socket以及状态的更新

内核使用多种数据结构来管理socket，其中比较重要的是文件描述符表、sock结构体以及epoll中使用的红黑树。

文件描述符表是内核中最基本的socket管理机制，它用于记录文件描述符与socket之间的映射关系，方便内核根据文件描述符找到对应的socket。当用户进程创建新的socket时，内核会为其分配一个唯一的文件描述符，并将该文件描述符与socket相关联。在文件描述符表中，每个文件描述符的状态由一个文件描述符表项（file descriptor table entry）来描述，其中包含了socket的相关信息，如socket的状态、套接字选项等。

sock结构体则是内核中用于描述socket状态的主要数据结构，包含了socket的各种关键属性，如socket的类型、协议族信息、套接字选项、接收缓冲区、发送缓冲区、地址信息等等。当用户进程通过文件描述符对socket进行操作时，内核会根据文件描述符找到对应的sock结构体，并在其中记录相应的操作及其参数。这样，当内核收到操作所触发的事件时，就可以根据sock结构体中的信息来处理相应的操作。

对于epoll机制，内核使用红黑树来统一管理每个socket的状态。红黑树是一种自平衡的二叉查找树，用于快速查找指定节点，它将socket作为节点插入到树中，并根据其状态来更新节点在树中的位置。当状态发生变化时，内核会自动将节点从一个位置移动到另一个位置，这样就可以快速地找到对应状态的socket并处理相应的操作了。

除了这些数据结构，内核还会使用一系列事件回调函数来管理socket状态的更新，如sock_readable、sock_writable等等。每当socket状态发生变化时，内核就会调用相应的回调函数，在其中处理相应的事件。

总而言之，内核会使用多种数据结构和回调函数来管理socket状态的更新，以提高其查询和处理效率。

select系统调用的复杂度

使用多路复用器select时，内核是遍历所有的socket集合，通过位图的形式，找出所有有状态的socket，并将它们加入到文件描述符集合中，然后再遍历select传入的socket集合，根据这个集合去查对应的socket状态，以此决定是否对其进行操作。

需要注意的是，select对可读可写的socket是分别进行处理的，这意味着内核在遍历的过程中需要分别查找可读和可写的状态。这种方式虽然在较早的Unix系统中比较有效，但是随着socket数量的增加和网络速度的提高，它的效率会越来越低。

相比之下，使用epoll的方式，则是通过红黑树和事件驱动的方式来管理socket，内核只需要遍历状态发生变化的socket节点，并触发相应的事件即可，这种方式通过避免遍历所有的socket集合，可以提高查询效率，降低CPU负载。因此，目前在高并发网络应用中，epoll已经逐渐取代了select等I/O多路复用机制。

epoll的et和lt模式及java的选择

epoll支持两种模式：Level Triggered（LT）模式和Edge Triggered（ET）模式，这两种模式控制了epoll在什么样的情况下会向用户空间通知IO事件。

LT模式
LT模式中的LT表示Level Triggered，即水平触发模式。在这种模式下，当epoll_wait返回后，如果发现fd上有未处理的事件，那么下一次epoll_wait仍然会返回事件，直到这些事件被处理完。在LT模式中，也可以使用非阻塞IO和epoll边缘触发的方式一起使用。

ET模式
ET模式中ET表示Edge Triggered，即边缘触发模式。在这种模式下，当epoll_wait返回后，如果发现fd上有未处理的事件，那么下一次epoll_wait只会在fd上有新事件时才会返回。对于EPOLLONESHOT事件，ET模式下同样只会返回一次事件，直到重新调用epoll_ctl注册该fd的监听事件。
【【【【【ET相对于LT 优势：epoll wait 次数少/精准；缺点，应用代码要处理干净数据；；
LT，你不必担心
系统调用成本是不是很大
多数会选择ET模式
java中是不是有一个selector.select()方法：
如果给你返回了一个socket可以read
你只读取了一半
下一次selector.select()还能否得到这个socket？
请回答：
有可能读取到，有可能读取不到
为什么？
在使用selector的时候，是不是要自己手动remove掉key！【你知道你会读取完，并且你使用的是NIO 】【如果你就处理的一部分，你就不应该remove它】
在ET模式下，java的多次selector.select()，你又没有remove掉key，为啥每次都给你返回？？？
因为java选择了epoll的ET模式，它知道这个问题，所以，jvm层面维护了一个集合
所以：最总结论：
java用着ET这种少系统调用的模型，封装出一个LT模型，且在用户空间
】】】】】】】

ET模式监测的事件是相对立即的，所以会比LT模式更加高效

【--纠正--】
Java 在使用 epoll 时，采用的是 ET（Edge Triggered）模式。Java 的 NIO 实现是基于 Linux epoll 机制的，不同于 Unix 传统的 select 和 poll 机制。Java NIO 的 selector 封装了 epoll 的高效 I/O 多路复用接口，只有监听的事件发生了变化，例如套接字的 I/O 可读或可写事件时，才会触发 selector 的 select 操作，并将这个事件拷贝到用户态处理。使用 ET 模式可以减少触发 epoll_wait 的次数，提高系统的效率。但是需要注意的是，使用 ET 模式需要谨慎处理消息读取的问题，以避免遗漏数据的问题。