深入理解中断

Ha_Ha_Wu
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从故事的开始说起 —— 最开始”中断”解决了哪些问题

  • 计算机启动的过程

    • 按下电源后，主板开始给CPU通电，待电源稳定后，CPU把CS寄存器的值设置为0xFFFF，IP寄存器的值设置为0x0000；表示CPU要执行0xFFFF处的指令，这个地址指向主板的ROM中。

    • 0xFFFF指令一般为jmp指令，用以跳转到BIOS在ROM中真正的位置

    • BIOS就是一段启动代码。过程中，首先要开机自检（内存，显卡，声卡，网卡等有没有连接成功），之后去磁盘的第一个扇区（MBR master boot record 主引导记录）。将其加载到内存中，并且将系统的控制权交给MBR。

    • MBR首先搭建起文件系统来，有了文件系统后才能找到OS内核代码并负责从磁盘中加载OS内核到内存中，然后将系统控制器交给操作系统。

    以上并不是要说明的重点，但为了故事有头有尾就又记了一遍

    • 之前的系统全部处于实模式（real mode），内存访问直接根据物理地址进行；此时将实模式转化成保护模式（Protected mode 全称是虚拟地址保护模式）；
    • 之后由操作系统负责加载各个程序，也就是各个进程，计算机开始全力工作。

  • 保护模式

    • 为什么要从实模式变成保护模式？

      内存中有内核和其他应用程序进程，假如仍然在实模式下，应用程序进程随意访问内核和其他程序的任意数据和指令，只需要提前知道目标数据所在的物理地址。更可怕的是可以随意修改，这就太危险了。

    • 保护模式

      不直接使用物理地址，而是使用虚拟地址，程序执行时CPU负责将虚拟地址转化成物理地址。

      • 由于每个进程内，可见的地址都是通过虚拟地址所指的（或者是在编码层面所有指针也都是虚拟地址），一个进程以为自己能访问到全部，但其实在地址转换中，对超出自身内存范围的指针是无法访问到的；以此来提供进程间安全的保证。
      • 于是可以得出结论：进程间是隔离的，进程和内核间也是隔离的。
      • 问题：

        1. 进程间隔离，那进程间通信怎么办？

        2. 进程和内核隔离，那系统调用怎么办？

          答案是：通过中断，安全的，绕路的 完成系统调用

中断

中断分为硬中断和软中断，解决上述问题的是软中断，硬中断用来解决进程切换问题

  • IDT 中断向量表

    CPU中记录有IDTR 中断描述符表寄存器，用来记录内存中中断描述符表的具体位置

    IDT类似一个map，key是0 - 255，value是所指内核程序的第一条指令的地址

    其中，0x80指向系统调用程序

  • 以一个简单代码为例说明中断的执行（软件中断）

    print("Hello World")

    编译器首先会编译成机器语言

    put "write()" eax
put "hello" ebx
int 0x80

    代码表示 将write放在eax寄存器上，hello放在ebx寄存器上，之后触发中断（interrupt）此时CPU从用户态切换到内核态，中断代码是IDT 0x80所指位置；而0x80就是指向System Call系统调用

    之后操作系统获取到寄存器上的系统调用方法名（或编号）和参数，从系统调用表中找到这个方法的具体位置，即可执行成功。也就是说，用户进程调用内核代码的方式是：通过系统调用表中共识的编号，完成函数调用。

    详细过程见博文：blog.csdn.net/u012503639/…

  • 硬件中断： 根据事件的发出者不同，可以将中断分为硬件中断和软件中断两种；软中断就是上文所述有CPU在处理某个特定指令时触发的吗。而硬中断则是由处理器外部的设备触发的电子信号。

    电子手表就像一个简单的计算机，中间有简单的类似CPU的累加器；手表核心有一块设备叫晶振，其作用是能够让手表的时间匀速增加；

    实现方式是：晶振的特性是：通入直流电，输出频率相同的信号，以此模拟时间匀速流动。

    而硬中断的实现方式也基于此，固定时间片后强制让CPU切换运行线程。

  • 中断的成本

    有研究测试表示：系统调用与函数调用相比（C语言），消耗的时间平均为十几倍。

    image.png

    1. 对于软中断而言，CPU由原本执行用户程序切换成执行内核程序，那势必要把原本用户进程的数据保存下来（保存现场）；我觉得只需要把CPU内寄存器的数据保留即可，系统调用用不到三层缓存吧？
    2. 对于硬中断而言，CPU内寄存器和三级缓存的数据必然都要保护起来，所以成本会更高。

于是由于软中断的成本不低，系统调用又频繁的发生在任何操作中，这就导致程序的性能有所影响。 那么接下来的优化思路就是：如何减少系统调用的次数。

  • Java中我们最熟悉的优化：synchronized的锁升级过程就是为了避免频繁的加锁释放锁
  • IO中总是使用buffered...stream或者buffered...channel，是为了避免频繁的向socket中write和read
  • 操作系统IO多路复用模型中，epoll比select和poll高级的一点也在于减少了系统调用
  • redis使用 mset 代替 set 进行批量操作，也是为了避免过多文件IO
  • ......
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