操作系統老大

又一個進程啟動了，操作系統老大嘆了一口氣，畢竟自己的肩頭又多了一份責任。

讓人煩惱的是，新來的家伙們很無知，幾乎就是一張白紙。有些老實本分的會按照自己的規矩來做事，有些刺頭兒喜歡問這問那，時不時還想搞點非法的訪問，想訪問別的進程的地址空間，甚至想訪問內核的代碼和數據！ 這時候，我只有把他kill掉祭天，留下一個core dump的尸體讓碼農們去分析。

規矩很重要！

想到此處，老大又看了一眼自己的內核空間，這個機器只有可憐巴巴的4G內存，0-3G給各個進程共享使用，自己獨占了從3G-4G的內存空間。

新啟動的進程是一個Web服務器，自稱小W，這是個喜歡問問題的家伙，他第一個問題就是： ”老大，你為啥不和群眾打成一片，反而自己要獨占空間呢？“

“這是為你們好？”

“為我們好？ ”

“計算機的硬件資源是有限的，硬盤、內存、網卡，鍵盤，鼠標，時鐘...... 如果任由你們這些進程隨意訪問，大家你爭我搶，豈不亂套？”?

“再說了，那些底層的硬件、驅動操作是極其麻煩的，讓你們每個進程都去寫那些‘惡心’的代碼，你們受得了嗎？ “

”還有，如果某個惡意的家伙故意搗亂，那還了得？”

老大的三連問簡直是振聾發聵， 小W立刻覺得氣短了三分。

“所以你就不讓我們直接訪問了？”

“對啊，我就做了一個抽象層，你們必須通過這個抽象層來訪問硬件資源。這個抽象層之下就是我的內核，是我的代碼和數據，所以我必須得單獨居住，不能和你們混在一起?！?/p>

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系統調用

“那我想訪問一個硬盤上的文件，到底該怎么辦？” 小W問道。

“非常簡單，我的抽象層中有對外提供的接口，叫做系統調用，例如read、open、close等。 你可以open 一個文件，read它的內容，讀完了close。”

“聽起來好像是函數調用啊！”

“對，就是函數調用，但是和你內部的函數調用有本質的不同，這種系統調用會讓你從用戶態切換到內核態，?也就是到我的內核代碼中來執行！”

小W懵懂地點點頭，似乎明白了。

他應該沒有明白，他也明白不了， 操作系統老大心里想，系統調用之復雜遠遠超過他的想象。

首先所有Linux的系統調用的參數都是通過寄存器而不是棧來傳遞的，按照慣例寄存器EAX保存了系統調用的編號（例如1表示exit這個系統調用，2表示fork,3表示read......），寄存器EBX,ECX,EDX,ESI,EDI可以包含最多6個任意的參數。

比如：write(1,"hello",5);

這就是個系統調用， 就是向stdout(控制臺)輸出一個字符串，在運行時，必須把寄存器給設置好：

EAX = 4 (4表示系統調用的編號)

EBX = 1 ?(1 表示stdout)

ECX = 那個字符串的地址

EDX = 字符串的長度

然后調用int 0x80 系統中斷，這就進入了內核， 我會取出EAX， 從一個內核的表格中查到第4號對應的系統調用處理程序來執行。

對了，我還需要把CPU的特權等級從3置為0，表示內核態。

看看，我容易嗎我！ ?操作系統心里略微有點傷感。

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read 和 write

這時候小W探出頭來，興奮地說：“hi ，老大，有客戶要訪問咱們硬盤的文件，我得讀取一下，然后通過socket發出去。是不是需要系統調用了？”

“那是肯定的，訪問文件系統必須得通過我，訪問socket也得通過我，不用系統調用怎么可能？ 除去open ,close， 你需要兩個關鍵的系統調用：”

// 從文件（用fd表示）中讀取len長度的內容，放到buffer中

read(fd, buffer, len);??

// 把buffer中長度為len 的內容寫入到socket中(用sockfd表示)

write(sockfd, buffer, len);

（注： read和write 應該是sys_read和sys_write的“包裹”函數，我們這里簡化，認為就是直接的函數調用。）

“好滴！” 小W做了一些準備工作，然后便開始read， 然后滿心歡喜地等待數據的到來。

操作系統收到read調用，陷入內核，正式進入了內核態，然后毫不客氣地暫停了小W的執行，讓他進入了阻塞隊列（假設小W只有一個線程）。

小W表示不滿：“怎么不讓我運行了？”

“讀取文件太慢，你先歇會兒，數據來了會通知你的?！?/p>

老大使用DMA（Direct Memory Access）的方式把文件的數據從硬盤復制到了內核的緩沖區， 然后又復制到了用戶的緩沖區，read調用完成，返回用戶態 ，小W可以繼續執行了。

小W要通過socket發送數據，于是又發出了write調用，再次陷入內核，進入內核態。

老大把數據又從用戶緩沖區復制到socket緩沖區， write調用返回，返回用戶態。

小W問道：“這次這么快就返回了？數據發出去沒有啊？”

老大說：“這就不用你操心了，網卡驅動會在合適的時候發送的，這是個異步的操作。”

小W畫了一張圖，試圖理解整個過程，等他把圖畫完，不由得咂舌：“嘖嘖，這么兩個簡單的系統調用，代價竟然如此之高啊。”

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(1) 需要進入內核態兩次，返回兩次。

(2) 數據居然發生了三次復制，硬盤-->內核緩沖區-->用戶緩沖區-->socket緩沖區

如果說第一次從硬盤到內核緩沖區必不可少，后面的兩次就太浪費了。

老大說：“你看到了吧，系統調用的開銷很大啊，以后要少點調用啊。”

小W說：“我覺得你這個內核雖然保護了硬件，但是導致效率很低啊，能不能優化一下，省去用戶態<-->核心態之間的數據復制？ 這太浪費了！”

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sendfile

老大哈哈一笑， 說道： “我早就料到了這一層，我這里還有個系統調用，叫做sendfile，你可以試試啊，通過這個系統調用，可以直接把文件內容發給socket。 ”

sendfile(socket, file, len);

小W一看，不錯啊，自己只需要調用sendfile，進入內核態一次就可以了，老大可以把數據從硬盤復制到內核緩沖區，然后直接復制到socket緩沖區， 完全不用自己介入，就用它了！

可是轉念一想，這從內核緩沖區到socket緩沖區的復制有必要嗎？ 那個網卡驅動不能直接從內核緩沖區讀數據嗎？

老大似乎看穿了小W的心思，說道：“我知道你在想啥，放心吧， 我早就做了優化了，不會把數據從內核緩沖區復制到socket緩沖區，相反，我只會把一些位置和數據長度等信息復制過去，很省事的。網卡驅動可以直接從內核緩沖區讀去數據?！?/p>

小W放心了，開始使用這種sendfile的方式，果然，性能大為提升！

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?這其實就是所謂的zero copy技術， 從內核角度看，除了把文件從硬盤讀出來之外，沒有任何的額外copy。

zero copy技術減少了上下文的切換，避免了數據不斷地在用戶態和核心態搬運，不需要CPU參與數據的復制，提高了系統性能，在ngnix, apache等web 服務器中都引入了zero copy技術。

《新程序員》：云原生和全面數字化實踐50位技術專家共同創作，文字、視頻、音頻交互閱讀

總結

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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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