在专栏的第三个模块，我们学习了Tomcat连接器组件的设计，其中最重要的是各种I/O模型及其实现。而I/O模型跟操作系统密切相关，要彻底理解这些原理，我们首先需要弄清楚什么是进程和线程，什么是虚拟内存和物理内存，什么是用户空间和内核空间，线程的阻塞到底意味着什么，内核又是如何唤醒用户线程的等等这些问题。可以说掌握这些底层的知识，对于你学习Tomcat和Jetty的原理，乃至其他各种后端架构都至关重要，这些知识可以说是后端开发的“基石”。
在专栏的留言中我也发现很多同学反馈对这些底层的概念很模糊，那今天作为模块的答疑篇，我就来跟你聊聊这些问题。
进程和线程
我们先从Linux的进程谈起，操作系统要运行一个可执行程序，首先要将程序文件加载到内存，然后CPU去读取和执行程序指令，而一个进程就是“一次程序的运行过程”，内核会给每一个进程创建一个名为task_struct的数据结构，而内核也是一段程序，系统启动时就被加载到内存中了。
进程在运行过程中要访问内存，而物理内存是有限的，比如16GB，那怎么把有限的内存分给不同的进程使用呢？跟CPU的分时共享一样，内存也是共享的，Linux给每个进程虚拟出一块很大的地址空间，比如32位机器上进程的虚拟内存地址空间是4GB，从0x00000000到0xFFFFFFFF。但这4GB并不是真实的物理内存，而是进程访问到了某个虚拟地址，如果这个地址还没有对应的物理内存页，就会产生缺页中断，分配物理内存，MMU（内存管理单元）会将虚拟地址与物理内存页的映射关系保存在页表中，再次访问这个虚拟地址，就能找到相应的物理内存页。每个进程的这4GB虚拟地址空间分布如下图所示：
进程的虚拟地址空间总体分为用户空间和内核空间，低地址上的3GB属于用户空间，高地址的1GB是内核空间，这是基于安全上的考虑，用户程序只能访问用户空间，内核程序可以访问整个进程空间，并且只有内核可以直接访问各种硬件资源，比如磁盘和网卡。那用户程序需要访问这些硬件资源该怎么办呢？答案是通过系统调用，系统调用可以理解为内核实现的函数，比如应用程序要通过网卡接收数据，会调用Socket的read函数：
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbyte)
CPU在执行系统调用的过程中会从用户态切换到内核态，CPU在用户态下执行用户程序，使用的是用户空间的栈，访问用户空间的内存；当CPU切换到内核态后，执行内核代码，使用的是内核空间上的栈。
从上面这张图我们看到，用户空间从低到高依次是代码区、数据区、堆、共享库与mmap内存映射区、栈、环境变量。其中堆向高地址增长，栈向低地址增长。
请注意用户空间上还有一个共享库和mmap映射区，Linux提供了内存映射函数mmap， 它可将文件内容映射到这个内存区域，用户通过读写这段内存，从而实现对文件的读取和修改，无需通过read/write系统调用来读写文件，省去了用户空间和内核空间之间的数据拷贝，Java的MappedByteBuffer就是通过它来实现的；用户程序用到的系统共享库也是通过mmap映射到了这个区域。
我在开始提到的task_struct结构体本身是分配在内核空间，它的vm_struct成员变量保存了各内存区域的起始和终止地址，此外task_struct中还保存了进程的其他信息，比如进程号、打开的文件、创建的Socket以及CPU运行上下文等。
在Linux中，线程是一个轻量级的进程，轻量级说的是线程只是一个CPU调度单元，因此线程有自己的task_struct结构体和运行栈区，但是线程的其他资源都是跟父进程共用的，比如虚拟地址空间、打开的文件和Socket等。
阻塞与唤醒
我们知道当用户线程发起一个阻塞式的read调用，数据未就绪时，线程就会阻塞，那阻塞具体是如何实现的呢？
Linux内核将线程当作一个进程进行CPU调度，内核维护了一个可运行的进程队列，所有处于TASK_RUNNING状态的进程都会被放入运行队列中，本质是用双向链表将task_struct链接起来，排队使用CPU时间片，时间片用完重新调度CPU。所谓调度就是在可运行进程列表中选择一个进程，再从CPU列表中选择一个可用的CPU，将进程的上下文恢复到这个CPU的寄存器中，然后执行进程上下文指定的下一条指令。
而阻塞的本质就是将进程的task_struct移出运行队列，添加到等待队列，并且将进程的状态的置为TASK_UNINTERRUPTIBLE或者TASK_INTERRUPTIBLE，重新触发一次CPU调度让出CPU。
那线程怎么唤醒呢？线程在加入到等待队列的同时向内核注册了一个回调函数，告诉内核我在等待这个Socket上的数据，如果数据到了就唤醒我。这样当网卡接收到数据时，产生硬件中断，内核再通过调用回调函数唤醒进程。唤醒的过程就是将进程的task_struct从等待队列移到运行队列，并且将task_struct的状态置为TASK_RUNNING，这样进程就有机会重新获得CPU时间片。
这个过程中，内核还会将数据从内核空间拷贝到用户空间的堆上。
当read系统调用返回时，CPU又从内核态切换到用户态，继续执行read调用的下一行代码，并且能从用户空间上的Buffer读到数据了。
小结
今天我们谈到了一次Socket read系统调用的过程：首先CPU在用户态执行应用程序的代码，访问进程虚拟地址空间的用户空间；read系统调用时CPU从用户态切换到内核态，执行内核代码，内核检测到Socket上的数据未就绪时，将进程的task_struct结构体从运行队列中移到等待队列，并触发一次CPU调度，这时进程会让出CPU；当网卡数据到达时，内核将数据从内核空间拷贝到用户空间的Buffer，接着将进程的task_struct结构体重新移到运行队列，这样进程就有机会重新获得CPU时间片，系统调用返回，CPU又从内核态切换到用户态，访问用户空间的数据。
不知道今天的内容你消化得如何？如果还有疑问，请大胆的在留言区提问，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得今天有所收获，欢迎你把它分享给你的朋友。
精选留言
2019-09-24 15:31:15
2019-07-11 11:39:16
2019-07-01 11:34:19
2019-06-29 09:04:28
1 如果没有数据，是否会阻塞？
2 不需要拷贝数据？意思是用户进程可以直接读mmap，不需要拷贝到堆吗？
2019-06-30 14:14:22
2019-06-30 00:33:08
2019-07-01 07:57:22
2019-08-16 00:59:32
2019-06-29 12:13:25
2019-07-01 23:22:20
2019-07-05 00:18:39
是从进程的内核空间里面分配出来的，还是用户空间里分配出来的？具体哪个部分的内存？
2019-07-10 18:14:50
2019-10-16 16:16:34
阻塞的本质：就是移出运行队列到等待队列，条件好了内核通知把数据写进去用户态，就又进入到运行队列等待CPU时间片。
老师这本质也归纳的太好了吧。
2019-06-29 18:13:27
向老师，我要把计算机组成原理和操作系统自己看一遍看不懂就看两遍。
2019-08-13 06:50:04
2019-08-12 19:27:11
2、task_struct为什么不用数组呀，数组不是更节省空间吗，而且随机访问这个特性也支持CPU随机调度（猜的，从多线程的不确定性感觉应该是随机调度），是考虑到这个数组有可能很大和频繁扩容的问题才采用双向链表吗？
以上问题，请老师指点一下！
2019-07-06 17:36:50
2019-07-04 22:37:59
2019-06-29 08:07:49
2019-10-09 17:06:16
把协程换成线程，上面这个过程哪个更加轻量？协程还是线程？
我理解这个过程涉及的过程如下，都一样。
1.都有系统调用read()，从用户态切换到了内核态，
2.都有上下文切换。(不同协程的寄存器，和不同线程的寄存器)
3. 都要执行任务调度。协程调度或者线程调度。
那协程到底轻量在哪？