红黑树linux

⑴ Handler消息机制（一）：linux的epoll机制

在linux 没有实现epoll事件驱动机制之前，我们一般选择用select或者poll等IO多路复用的方法来实现并发服务程序。在linux新的内核中，有了一种替换它的机制，就是epoll。

相比select模型， poll使用链表保存文件描述符，因此没有了监视文件数量的限制 ，但其他三个缺点依然存在。

假设我们的服务器需要支持100万的并发连接，则在__FD_SETSIZE 为1024的情况下，则我们至少需要开辟1k个进程才能实现100万的并发连接。除了进程间上下文切换的时间消耗外，从内核/用户空间大量的无脑内存拷贝、数组轮询等，是系统难以承受的。因此，基于select模型的服务器程序，要达到10万级别的并发访问，是一个很难完成的任务。

由于epoll的实现机制与select/poll机制完全不同，上面所说的 select的缺点在epoll上不复存在。

设想一下如下场景：有100万个客户端同时与一个服务器进程保持着TCP连接。而每一时刻，通常只有几百上千个TCP连接是活跃的(事实上大部分场景都是这种情况)。如何实现这样的高并发？

在select/poll时代，服务器进程每次都把这100万个连接告诉操作系统(从用户态复制句柄数据结构到内核态)，让操作系统内核去查询这些套接字上是否有事件发生，轮询完后，再将句柄数据复制到用户态，让服务器应用程序轮询处理已发生的网络事件，这一过程资源消耗较大，因此，select/poll一般只能处理几千的并发连接。

epoll的设计和实现与select完全不同。epoll通过在Linux内核中申请一个简易的文件系统(文件系统一般用什么数据结构实现？B+树)。把原先的select/poll调用分成了3个部分：

1）调用epoll_create()建立一个epoll对象(在epoll文件系统中为这个句柄对象分配资源)

2）调用epoll_ctl向epoll对象中添加这100万个连接的套接字

3）调用epoll_wait收集发生的事件的连接

如此一来，要实现上面说是的场景，只需要在进程启动时建立一个epoll对象，然后在需要的时候向这个epoll对象中添加或者删除连接。同时，epoll_wait的效率也非常高，因为调用epoll_wait时，并没有一股脑的向操作系统复制这100万个连接的句柄数据，内核也不需要去遍历全部的连接。

当某一进程调用epoll_create方法时，Linux内核会创建一个eventpoll结构体，这个结构体中有两个成员与epoll的使用方式密切相关。eventpoll结构体如下所示：

每一个epoll对象都有一个独立的eventpoll结构体，用于存放通过epoll_ctl方法向epoll对象中添加进来的事件。这些事件都会挂载在红黑树中，如此，重复添加的事件就可以通过红黑树而高效的识别出来(红黑树的插入时间效率是lgn，其中n为树的高度)。

而所有 添加到epoll中的事件都会与设备(网卡)驱动程序建立回调关系，也就是说，当相应的事件发生时会调用这个回调方法 。这个回调方法在内核中叫ep_poll_callback,它会将发生的事件添加到rdlist双链表中。

在epoll中，对于每一个事件，都会建立一个epitem结构体，如下所示：

当调用epoll_wait检查是否有事件发生时，只需要检查eventpoll对象中的rdlist双链表中是否有epitem元素即可。如果rdlist不为空，则把发生的事件复制到用户态，同时将事件数量返回给用户。

epoll结构示意图

通过红黑树和双链表数据结构，并结合回调机制，造就了epoll的高效。

events可以是以下几个宏的集合：
EPOLLIN：触发该事件，表示对应的文件描述符上有可读数据。(包括对端SOCKET正常关闭)；
EPOLLOUT：触发该事件，表示对应的文件描述符上可以写数据；
EPOLLPRI：表示对应的文件描述符有紧急的数据可读（这里应该表示有带外数据到来）；
EPOLLERR：表示对应的文件描述符发生错误；
EPOLLHUP： 表示对应的文件描述符被挂断；
EPOLLET：将EPOLL设为边缘触发(EdgeTriggered)模式，这是相对于水平触发(Level Triggered)来说的。
EPOLLONESHOT： 只监听一次事件，当监听完这次事件之后，如果还需要继续监听这个socket的话，需要再次把这个socket加入到EPOLL队列里。
示例：

ET(EdgeTriggered) :高速工作模式，只支持no_block(非阻塞模式)。在此模式下，当描述符从未就绪变为就绪时，内核通过epoll告知。然后它会假设用户知道文件描述符已经就绪，并且不会再为那个文件描述符发送更多的就绪通知，直到某些操作导致那个文件描述符不再为就绪状态了。(触发模式只在数据就绪时通知一次，若数据没有读完，下一次不会通知，直到有新的就绪数据)

LT(LevelTriggered) :缺省工作方式，支持blocksocket和no_blocksocket。在LT模式下内核会告知一个文件描述符是否就绪了，然后可以对这个就绪的fd进行IO操作。如果不作任何操作，内核还是会继续通知！若数据没有读完，内核也会继续通知，直至设备数据为空为止！

1.我们已经把一个用来从管道中读取数据的文件句柄(RFD)添加到epoll描述符
2. 这个时候从管道的另一端被写入了2KB的数据
3. 调用epoll_wait(2)，并且它会返回RFD，说明它已经准备好读取操作
4. 然后我们读取了1KB的数据
5. 调用epoll_wait(2)……

ET工作模式：
如果我们在第1步将RFD添加到epoll描述符的时候使用了EPOLLET标志，在第2步执行了一个写操作，第三步epoll_wait会返回同时通知的事件会销毁。因为第4步的读取操作没有读空文件输入缓冲区内的数据，因此我们在第5步调用epoll_wait(2)完成后，是否挂起是不确定的。epoll工作在ET模式的时候，必须使用非阻塞套接口，以避免由于一个文件句柄的阻塞读/阻塞写操作把处理多个文件描述符的任务饿死。

只有当read(2)或者write(2)返回EAGAIN时(认为读完)才需要挂起，等待。但这并不是说每次read()时都需要循环读，直到读到产生一个EAGAIN才认为此次事件处理完成，当read()返回的读到的数据长度小于请求的数据长度时(即小于sizeof(buf))，就可以确定此时缓冲中已没有数据了，也就可以认为此事读事件已处理完成。

LT工作模式：
LT方式调用epoll接口的时候，它就相当于一个速度比较快的poll(2)，并且无论后面的数据是否被使用，因此他们具有同样的职能。

当调用 epoll_wait检查是否有发生事件的连接时，只是检查 eventpoll对象中的 rdllist双向链表是否有 epitem元素而已，如果 rdllist链表不为空，则把这里的事件复制到用户态内存中，同时将事件数量返回给用户。因此，epoll_wait的效率非常高。epoll_ctl在向 epoll对象中添加、修改、删除事件时，从 rbr红黑树中查找事件也非常快，也就是说，epoll是非常高效的，它可以轻易地处理百万级别的并发连接。

1.减少用户态和内核态之间的文件句柄拷贝；

2.减少对可读可写文件句柄的遍历。

https://cloud.tencent.com/developer/information/linux%20epoll%E6%9C%BA%E5%88%B6
https://blog.csdn.net/u010657219/article/details/44061629
https://jiahao..com/s?id=1609322251459722004&wfr=spider&for=pc

⑵ linuxpollread区别

`poll` 和 `epoll` 都是 Linux 中用于实现 I/O 多路复用的机制，可以让一个进程同时监听多个文件描述符上的事件。它们的主要区别在于实现方式和性能表现。

`poll` 函数是最早引入到 Linux 内核中的 I/O 多路复用机制，它使用一个 `pollfd` 结构体数组来存储需唤烂要监听的文件描述符以及每个文件描述符上需要监听的事件类型。当调用 `poll` 函数时，内核会遍历所有的 `pollfd` 结构体，检查每个文件描述符上是否有事件发生，如果有则将该事件通知给应用程序。但是当需要监听大量文件描述符时，由于 `poll` 函数是线性扫描整个数组来查找就绪文件描述符，因此效率较低。

而 `epoll` 函数则采用了基于事件驱动（Event-driven）的方式来实现 I/O 多路复用。它使用一个红黑树（Red-Black Tree）来存储需要监听的文件描述符，并通过回调函数机制来通知应用程序哪些文件描述符烂穗上发生了事件。相比于 `poll` 函饥链卜数，`epoll` 函数在处理大量并发连接时具有更高的效率和更低的系统开销。

总结一下：

- `poll` 是最早引入到 Linux 内核中的 I/O 多路复用机制，`epoll` 是后来引入的。
- `poll` 使用一个数组来存储需要监听的文件描述符，效率较低；而 `epoll` 使用红黑树和回调函数机制，效率更高。
- `epoll` 可以同时监听大量文件描述符上的事件，并且可以支持边缘触发（Edge Triggered）和水平触发（Level Triggered）两种模式。

⑶ 为什么STL和linux都使用红黑树作为平衡树的实现

红黑树是平衡二叉树的一种，它有很好的性质，拿凳裤树中的结点都是有序的，而且因为它本身就是平衡的，所以查找也不会出现非常恶劣的情粗誉况，基于二叉树的操消简作的时间复杂度是O(log(N))。Linux内核在管理vm_area_struct时就是采用了红黑树来维护内存块的....

⑷ linux内核设计与实现

Linux内核的设计与实现是一个很大的话题,我这里简单概括一下:

• Linux内核采用模块化设计,将内核功能划分为多个相对独立的模块,如文件系统模块、网络模块、进程调度模块等。这种模块化设计使世锋得Linux内核具有良好的可扩展性和可维护性。

• Linux内核采用层次化设计,从上到下主要分为用户空间、搜前晌系统调用接口、内核空间。用户空间和内核空间通过系统调用接口交互。内核空间中又分为多层,从上到下主要分为进程调度层、文件系统层、网络层、设备驱动层等。

• Linux内核提供强大的抽象能力和通用机制。如通过文件抽象统一了对文件、网络套接字、管道等的访问;通过缓冲 CACHE 抽象实现了文件缓冲、目录缓冲、页缓冲等。这些抽象和机制使得上层文件系统和网络协议悔脊的实现变得更加简单。

• Linux内核采用先进的数据结构,如双向链表、散列表、红黑树、堆等,这些数据结构使得Linux内核在性能和复杂度上都有很好的表现。

• Linux内核实现了先进的算法和机制,如时间共享进程调度算法、虚拟内存管理算法、TCP拥塞控制算法等,这些算法机制是Linux内核性能优良和功能强大的基石。

• Linux内核有着非常清晰和简洁的源代码,这也是它受欢迎的一个重要原因。简洁清晰的代码易于维护和二次开发。

这是Linux内核设计与实现的一个简单概括,实际上每个方面都可以讲述很多,希望对你有所帮助。如果你有任何其他问题,欢迎在回复中提出。

⑸ 一文读懂Linux任务间调度原理和整个执行过程

在前文中，我们分析了内核中进程和线程的统一结构体task_struct，并分析进程、线程的创建和派生的过程。在本文中，我们会对任务间调度进行详细剖析，了解其原理和整个执行过程。由此，进程、线程部分的大体框架就算是介绍完了。本节主要分为三个部分：Linux内核中常见的调度策略，调度的基本结构体以及调度发生的整个流程。下面将详细展开说明。

Linux 作为一个多任务操作系统，将每个 CPU 的时间划分为很短的时间片，再通过调度器轮流分配给各个任务使用，因此造成多任务同时运行的错觉。为了维护 CPU 时间，Linux 通过事先定义的节拍率（内核中表示为 HZ），触发时间中断，并使用全局变量 Jiffies 记录了开机以来的节拍数。每发生一次时间中断，Jiffies 的值就加 1。节拍率 HZ 是内核的可配选项，可以设置为 100、250、1000 等。不同的系统可能设置不同的数值，可以通过查询 /boot/config 内核选项来查看它的配置值。

Linux的调度策略主要分为实时任务和普通任务。实时任务需求尽快返回结果，而普通任务则没有较高的要求。在前文中我们提到了task_struct中调度策略相应的变量为policy，调度优先级有prio, static_prio, normal_prio, rt_priority几个。优先级其实就是一个数值，对于实时进程来说，优先级的范围是 0 99；对于普通进程，优先级的范围是 100 139。数值越小，优先级越高。

实时调度策略主要包括以下几种

普通调度策略主要包括以下几种：

首先，我们需要一个结构体去执行调度策略，即sched_class。该类有几种实现方式

普通任务调度实体源码如下，这里面包含了 vruntime 和权重 load_weight，以及对于运行时间的统计。

在调度时，多个任务调度实体会首先区分是实时任务还是普通任务，然后通过以时间为顺序的红黑树结构组合起来，vruntime 最小的在树的左侧，vruntime最多的在树的右侧。以CFS策略为例，则会选择红黑树最左边的叶子节点作为下一个将获得 CPU 的任务。而这颗红黑树，我们称之为运行时队列（run queue），即struct rq。

其中包含结构体cfs_rq，其定义如下，主要是CFS调度相关的结构体，主要有权值相关变量、vruntime相关变量以及红黑树指针，其中结构体rb_root_cached即为红黑树的节点

对结构体dl_rq有类似的定义，运行队列由红黑树结构体构成，并按照deadline策略进行管理

对于实施队列相应的rt_rq则有所不同，并没有用红黑树实现。

下面再看看调度类sched_class，该类以函数指针的形式定义了诸多队列操作，如

调度类分为下面几种：

队列操作中函数指针指向不同策略队列的实际执行函数函数，在linux/kernel/sched/目录下，fair.c、idle.c、rt.c等文件对不同类型的策略实现了不同的函数，如fair.c中定义了

以选择下一个任务为例，CFS对应的是pick_next_task_fair，而rt_rq对应的则是pick_next_task_rt，等等。

由此，我们来总结一下：

有了上述的基本策略和基本调度结构体，我们可以形成大致的骨架，下面就是需要核心的调度流程将其拼凑成一个整体，实现调度系统。调度分为两种，主动调度和抢占式调度。

说到调用，逃不过核心函数schele()。其中sched_submit_work()函数完成当前任务的收尾工作，以避免出现如死锁或者IO中断等情况。之后首先禁止抢占式调度的发生，然后调用__schele()函数完成调度，之后重新打开抢占式调度，如果需要重新调度则会一直重复该过程，否则结束函数。

而__schele()函数则是实际的核心调度函数，该函数主要操作包括选取下一进程和进行上下文切换，而上下文切换又包括用户态空间切换和内核态的切换。具体的解释可以参照英文源码注释以及中文对各个步骤的注释。

其中核心函数是获取下一个任务的pick_next_task()以及上下文切换的context_switch()，下面详细展开剖析。首先看看pick_next_task()，该函数会根据调度策略分类，调用该类对应的调度函数选择下一个任务实体。根据前文分析我们知道，最终是在不同的红黑树上选择最左节点作为下一个任务实体并返回。

下面来看看上下文切换。上下文切换主要干两件事情，一是切换任务空间，也即虚拟内存；二是切换寄存器和 CPU 上下文。关于任务空间的切换放在内存部分的文章中详细介绍，这里先按下不表，通过任务空间切换实际完成了用户态的上下文切换工作。下面我们重点看一下内核态切换，即寄存器和CPU上下文的切换。

switch_to()就是寄存器和栈的切换，它调用到了 __switch_to_asm。这是一段汇编代码，主要用于栈的切换， 其中32位使用esp作为栈顶指针，64位使用rsp，其他部分代码一致。通过该段汇编代码我们完成了栈顶指针的切换，并调用__switch_to完成最终TSS的切换。注意switch_to中其实是有三个变量，分别是prev, next, last，而实际在使用时，我们会对last也赋值为prev。这里的设计意图需要结合一个例子来说明。假设有ABC三个任务，从A调度到B，B到C，最后C回到A，我们假设仅保存prev和next，则流程如下

最终调用__switch_to()函数。该函数中涉及到一个结构体TSS(Task State Segment)，该结构体存放了所有的寄存器。另外还有一个特殊的寄存器TR（Task Register）会指向TSS，我们通过更改TR的值，会触发硬件保存CPU所有寄存器在当前TSS，并从新的TSS读取寄存器的值加载入CPU，从而完成一次硬中断带来的上下文切换工作。系统初始化的时候，会调用 cpu_init()给每一个 CPU 关联一个 TSS，然后将 TR 指向这个 TSS，然后在操作系统的运行过程中，TR 就不切换了，永远指向这个 TSS。当修改TR的值得时候，则为任务调度。

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在完成了switch_to()的内核态切换后，还有一个重要的函数finish_task_switch()负责善后清理工作。在前面介绍switch_to三个参数的时候我们已经说明了使用last的重要性。而这里为何让prev和last均赋值为prev，是因为prev在后面没有需要用到，所以节省了一个指针空间来存储last。

至此，我们完成了内核态的切换工作，也完成了整个主动调度的过程。

抢占式调度通常发生在两种情况下。一种是某任务执行时间过长，另一种是当某任务被唤醒的时候。首先看看任务执行时间过长的情况。

该情况需要衡量一个任务的执行时间长短，执行时间过长则发起抢占。在计算机里面有一个时钟，会过一段时间触发一次时钟中断，通知操作系统时间又过去一个时钟周期，通过这种方式可以查看是否是需要抢占的时间点。

时钟中断处理函数会调用scheler_tick()。该函数首先取出当前CPU，并由此获取对应的运行队列rq和当前任务curr。接着调用该任务的调度类sched_class对应的task_tick()函数进行时间事件处理。

以普通任务队列为例，对应的调度类为fair_sched_class，对应的时钟处理函数为task_tick_fair()，该函数会获取当前的调度实体和运行队列，并调用entity_tick()函数更新时间。

在entity_tick()中，首先会调用update_curr()更新当前任务的vruntime，然后调用check_preempt_tick()检测现在是否可以发起抢占。

check_preempt_tick() 先是调用 sched_slice() 函数计算出一个调度周期中该任务运行的实际时间 ideal_runtime。sum_exec_runtime 指任务总共执行的实际时间，prev_sum_exec_runtime 指上次该进程被调度时已经占用的实际时间，所以 sum_exec_runtime - prev_sum_exec_runtime 就是这次调度占用实际时间。如果这个时间大于 ideal_runtime，则应该被抢占了。除了这个条件之外，还会通过 __pick_first_entity 取出红黑树中最小的进程。如果当前进程的 vruntime 大于红黑树中最小的进程的 vruntime，且差值大于 ideal_runtime，也应该被抢占了。

如果确认需要被抢占，则会调用resched_curr()函数，该函数会调用set_tsk_need_resched()标记该任务为_TIF_NEED_RESCHED，即该任务应该被抢占。

某些任务会因为中断而唤醒，如当 I/O 到来的时候，I/O进程往往会被唤醒。在这种时候，如果被唤醒的任务优先级高于 CPU 上的当前任务，就会触发抢占。try_to_wake_up() 调用 ttwu_queue() 将这个唤醒的任务添加到队列当中。ttwu_queue() 再调用 ttwu_do_activate() 激活这个任务。ttwu_do_activate() 调用 ttwu_do_wakeup()。这里面调用了 check_preempt_curr() 检查是否应该发生抢占。如果应该发生抢占，也不是直接踢走当前进程，而是将当前进程标记为应该被抢占。

由前面的分析，我们知道了不论是是当前任务执行时间过长还是新任务唤醒，我们均会对现在的任务标记位_TIF_NEED_RESCUED，下面分析实际抢占的发生。真正的抢占还需要一个特定的时机让正在运行中的进程有机会调用一下 __schele()函数，发起真正的调度。

实际上会调用__schele()函数共有以下几个时机

从系统调用返回用户态：以64位为例，系统调用的链路为do_syscall_64->syscall_return_slowpath->prepare_exit_to_usermode->exit_to_usermode_loop。在exit_to_usermode_loop中，会检测是否为_TIF_NEED_RESCHED，如果是则调用__schele()

内核态启动：内核态的执行中，被抢占的时机一般发生在 preempt_enable() 中。在内核态的执行中，有的操作是不能被中断的，所以在进行这些操作之前，总是先调用 preempt_disable() 关闭抢占，当再次打开的时候，就是一次内核态代码被抢占的机会。preempt_enable() 会调用 preempt_count_dec_and_test()，判断 preempt_count 和 TIF_NEED_RESCHED 是否可以被抢占。如果可以，就调用 preempt_schele->preempt_schele_common->__schele 进行调度。

   本文分析了任务调度的策略、结构体以及整个调度流程，其中关于内存上下文切换的部分尚未详细叙述，留待内存部分展开剖析。

1、调度相关结构体及函数实现

2、schele核心函数

⑹ 关于Linux下的select/epoll

select这个系统调用的原型如下

第一个参数nfds用来告诉内核 要扫描的socket fd的数量+1 ，select系统调用最大接收的数量是1024，但是如果每次都去扫描1024，实际上的数量并不多，则效率太低，这里可以指定需要扫描的数量。 最大数量为1024，如果需要修改这个数量，则需要重新编译Linux内核源码。
第2、3、4个参数分别是readfds、writefds、exceptfds，传递的参数应该是fd_set 类型的引用，内核会检测每个socket的fd， 如果没有读事件，就将对应的fd从第二个参数传入的fd_set中移除，如果没有写事件，就将对应的fd从第二个参数的fd_set中移除，如果没有异常事件，就将对应的fd从第三个参数的fd_set中移除 。这里我们应该 要将实际的readfds、writefds、exceptfds拷贝一份副本传进去，而不是传入原引用，因为如果传递的是原引用，某些socket可能就已经丢失 。
最后一个参数是等待时间， 传入0表示非阻塞，传入>0表示等待一定时间，传入NULL表示阻塞，直到等到某个socket就绪 。

FD_ZERO()这个函数将fd_set中的所有bit清0，一般用来进行初始化等。
FD_CLR()这个函数用来将bitmap(fd_set )中的某个bit清0，在客户端异常退出时就会用到这个函数，将fd从fd_set中删除。
FD_ISSET()用来判断某个bit是否被置1了，也就是判断某个fd是否在fd_set中。
FD_SET()这个函数用来将某个fd加入fd_set中，当客户端新加入连接时就会使用到这个函数。

epoll_create系统调用用来创建epfd，会在开辟一块内存空间(epoll的结构空间)。size为epoll上能关注的最大描述符数，不够会进行扩展，size只要＞0就行，早期的设计size是固定大小，但是现在size参数没什么用，会自动扩展。
返回值是epfd，如果为-1则说明创建epoll对象失败 。

第一个参数epfd传入的就是epoll_create返回的epfd。
第二个参数传入对应操作的宏，包括 增删改(EPOLL_CTL_ADD、EPOLL_CTL_DEL、EPOLL_CTL_MOD) 。
第三个参数传入的是 需要增删改的socket的fd 。
第四个参数传入的是 需要操作的fd的哪些事件 ，具体的事件可以看后续。
返回值是一个int类型，如果为-1则说明操作失败 。

第一个参数是epfd，也就是epoll_create的返回值。
第二个参数是一个epoll_event类型的指针，也就是传入的是一个数组指针。 内核会将就绪的socket的事件拷贝到这个数组中，用户可以根据这个数组拿到事件和消息等 。
第三个参数是maxevents，传入的是 第二个参数的数组的容量 。
第四个参数是timeout， 如果设为-1一直阻塞直到有就绪数据为止，如果设为0立即返回，如果＞0那么阻塞一段时间 。
返回值是一个int类型，也就是就绪的socket的事件的数量(内核拷贝给用户的events的元素的数量)，通过这个数量可以进行遍历处理每个事件 。

一般需要传入 ev.data.fd 和 ev.events ，也就是fd和需要监控的fd的事件。事件如果需要传入多个，可以通过按位与来连接，比如需要监控读写事件，只需要像如下这样操作即可： ev.events=EPOLLIN | EPOLLOUT 。

LT(水平触发)， 默认 的工作模式， 事件就绪后用户可以选择处理和不处理，如果用户不处理，内核会对这部分数据进行维护，那么下次调用epoll_wait()时仍旧会打包出来 。
ET(边缘触发)，事件就绪之后， 用户必须进行处理 ，因为内核把事件打包出来之后就把对应的就绪事件给清掉了， 如果不处理那么就绪事件就没了 。ET可以减少epoll事件被重复触发的次数，效率比LT高。
如果需要设置为边缘触发只需要设置事件为类似 ev.events=EPOLLIN | EPOLLET 即可 。

select/poll/epoll是nio多路复用技术， 传统的bio无法实现C10K/C100K ，也就是无法满足1w/10w的并发量，在这么高的并发量下，在进行上下文切换就很容易将服务器的负载拉飞。

1.将fd_set从用户态拷贝到内核态
2.根据fd_set扫描内存中的socket的fd的状态，时间复杂度为O(n)
3.检查fd_set，如果有已经就绪的socket，就给对应的socket的fd打标记，那么就return 就绪socket的数量并唤醒当前线程，如果没有就绪的socket就继续阻塞当前线程直到有socket就绪才将当前线程唤醒。
4.如果想要获取当前已经就绪的socket列表，则还需要进行一次系统调用，使用O(n)的时间去扫描socket的fd列表，将已经打上标记的socket的fd返回。

CPU在同一个时刻只能执行一个程序，通过RR时间片轮转去切换执行各个程序。没有被挂起的进程(线程)则在工作队列中排队等待CPU的执行，将进程(线程)从工作队列中移除就是挂起，反映到java层面的就是线程的阻塞。

什么是中断？当我们使用键盘、鼠标等IO设备的时候，会给主板一个电流信号，这个电流信号就给CPU一个中断信号，CPU执行完当前的指令便会保存现场，然后执行键盘/鼠标等设备的中断程序，让中断程序获取CPU的使用权，在中断程序后又将现场恢复，继续执行之前的进程。

如果第一次没检测到就绪的socket，就要将其进程(线程)从工作队列中移除，并加入到socket的等待队列中。

socket包含读缓冲区+写缓冲区+等待队列(放线程或eventpoll对象)

当从客户端往服务器端发送数据时，使用TCP/IP协议将通过物理链路、网线发给服务器的网卡设备，网卡的DMA设备将接收到的的数据写入到内存中的一块区域(网卡缓冲区)，然后会给CPU发出一个中断信号，CPU执行完当前指令则会保存现场，然后网卡的中断程序就获得了CPU的使用权，然后CPU便开始执行网卡的中断程序，将内存中的缓存区中的数据包拿出，判断端口号便可以判断它是哪个socket的数据，将数据包写入对应的socket的读(输入)缓冲区，去检查对应的socket的等待队列有没有等待着的进程(线程)，如果有就将该线程(进程)从socket的等待队列中移除，将其加入工作队列，这时候该进程(线程)就再次拥有了CPU的使用权限，到这里中断程序就结束了。

之后这个进程(线程)就执行select函数再次去检查fd_set就能发现有socket缓冲区中有数据了，就将该socket的fd打标记，这个时候select函数就执行完了，这时候就会给上层返回一个int类型的数值，表示已经就绪的socket的数量或者是发生了错误。这个时候就再进行内核态到用户态的切换，对已经打标记的socket的fd进行处理。

将原本1024bit长度的bitmap(fd_set)换成了数组的方式传入 ，可以 解决原本1024个不够用的情况 ，因为传入的是数组，长度可以不止是1024了，因此socket数量可以更多，在Kernel底层会将数组转换成链表。

在十多年前，linux2.6之前，不支持epoll，当时可能会选择用Windows/Unix用作服务器，而不会去选择Linux，因为select/poll会随着并发量的上升，性能变得越来越低，每次都得检查所有的Socket列表。

1.select/poll每次调用都必须根据提供所有的socket集合，然后就 会涉及到将这个集合从用户空间拷贝到内核空间，在这个过程中很耗费性能 。但是 其实每次的socket集合的变化也许并不大，也许就1-2个socket ，但是它会全部进行拷贝，全部进行遍历一一判断是否就绪。

2.select/poll的返回类型是int，只能代表当前的就绪的socket的数量/发生了错误， 如果还需要知道是哪些socket就绪了，则还需要再次使用系统调用去检查哪些socket是就绪的，又是一次O(n)的操作，很耗费性能 。

1.epoll在Kernel内核中存储了对应的数据结构(eventpoll)。我们可以 使用epoll_create()这个系统调用去创建一个eventpoll对象 ，并返回eventpoll的对象id(epfd)，eventpoll对象主要包括三个部分：需要处理的正在监听的socket_fd列表(红黑树结构)、socket就绪列表以及等待队列(线程)。

2.我们可以使用epoll_ctl()这个系统调用对socket_fd列表进行CRUD操作，因为可能频繁地进行CRUD，因此 socket_fd使用的是红黑树的结构 ，让其效率能更高。epoll_ctl()传递的参数主要是epfd(eventpoll对象id)。

3.epoll_wait()这个系统调用默认会 将当前进程(线程)阻塞，加入到eventpoll对象的等待队列中，直到socket就绪列表中有socket，才会将该进程(线程)重新加入工作队列 ，并返回就绪队列中的socket的数量。

socket包含读缓冲区、写缓冲区和等待队列。当使用epoll_ctl()系统调用将socket新加入socket_fd列表时，就会将eventpoll对象引用加到socket的等待队列中， 当网卡的中断程序发现socket的等待队列中不是一个进程(线程)，而是一个eventpoll对象的引用，就将socket引用追加到eventpoll对象的就绪列表的尾部 。而eventpoll对象中的等待队列存放的就是调用了epoll_wait()的进程(线程)，网卡的中断程序执行会将等待队列中的进程(线程)重新加入工作队列，让其拥有占用CPU执行的资格。epoll_wait()的返回值是int类型，返回的是就绪的socket的数量/发生错误，-1表示发生错误。

epoll的参数有传入一个epoll_event的数组指针(作为输出参数)，在调用epoll_wait()返回的同时，Kernel内核还会将就绪的socket列表添加到epoll_event类型的数组当中。

⑺ 在linux操作系统内核实现里经常使用的红黑树

在linux操作系统内核实现里经常使用的红黑树如下：

二叉树，按中序遍历后为一递增数组，自平衡意味着树的高度有一个上限，对于红黑树，其为2log(n+1)，所以时间复杂度为最差为Olog(n)。

赋予二叉搜索树自平衡特性的方法有多种，红黑树通过一下4条约束实现自平衡:

Every node is either red or black.

All NIL nodes (figure 1) are considered black.

A red node does not have a red child.

Everypathfrom a given node to any of its descendant NIL nodes goes through the same number of black nodes.

其中根节点为黑色。

红黑树的搜索与二叉搜索树无异，但是插入和删除可能会违背上述四条原则。需要用到左旋右旋操作。左旋右旋上图，可以看到左旋右旋本身不改变二叉搜索树的特性，旋转后必要时改变节点的颜色可消除插入或者删除带来的红冲突和黑冲突，有时红黑树的重新平衡需要迭代进行。

红黑树比较适合的应用场景:

需要动态插入、删除、查找的场景，包括但不限于：

某些数据库的增删改查，比如select * from xxx where 这类条件检索。

linux内核中进程通过红黑树组织管理，便于快速插入、删除、查找进程的task_struct。

linux内存中内存的管理：分配和回收。用红黑树组织已经分配的内存块，当应用程序调用free释放内存的时候，可以根据内存地址在红黑树中快速找到目标内存块。

hashmap中(key,value)增、删、改查的实现；java 8就采用了RBTree替代链表。

Ext3文件系统，通过红黑树组织目录项。

⑻ linux如何打开进程控制块

linux如何打开进程控制块[linux内核]4.进程控制块和进程创建纤盯_H4ppyD0g的博客-CSDN博客
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CSDN技术社区2021-11-23
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CSDN技术社区2022-03-14
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本文章向大家介绍Linux下的进程控制块(PCB)，主要包括Linux下的进程控制块(PCB)使用实例、应用技巧、基本知识点总结和需要注意事项，具有一定的参考价值，需要的朋友可以参考一下。
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⑼ 如何利用linux内核中的红黑树库，调试和运行红黑树

1、 初识红黑树
从网上搜索了许多仔模红黑树的介绍，这些文章中主要介绍了红黑树的性质，念碧缓然后就是红黑树的旋转如下示意图。

左旋、右旋，旋转过程中爸爸变成了儿子，兄弟变成了孙子；红的变成黑的，黑的变成红的。经过一系列的旋转，就把我慧裂旋转的晕头转向了，脑子里搅成了一团浆糊。相信，没有学过二叉树的同学肯定会遇到和我一样窘况。

⑽ Linux进程的调度

上回书说到 Linux进程的由来 和 Linux进程的创建 ，其实在同一时刻只能支持有限个进程或线程同时运行(这取决于CPU核数量，基本上一个进程对应一个CPU)，在一个运行的操作系统上可能运行着很多进程，如果运行的进程占据CPU的时间很长，就有可能导致其他进程饿死。为了解决这种问题，操作系统引入了 进程调度器 来进行进程的切换，轮流让各个进程使用CPU资源。

1）rq： 进程的运行队列( runqueue)， 每个CPU对应一个 ，包含自旋锁(spinlock)、进程数量、用于公平调度的CFS信息结构、当前运行的进程描述符等。实际的进程队列用红黑树来维护(通过CFS信息结构来访问)。

2）cfs_rq： cfs调度的进程运行队列信息 ，包含红黑树的根结点、正在运行的进程指针、用于负载均衡的叶子队列等。

3）sched_entity： 把需要调度的东西抽象成调度实体 ，调度实体可以是进程、进程组、用户等。这里包含负载权重值、对应红黑树结点、 虚拟运行时vruntime 等。

4）sched_class：把 调度策略(算法)抽象成调度类 ，包含一组通用的调度操作接口。接口和实现是分离，可以根据调度接口去实现不同的调度算法，使一个Linux调度程序可以有多个不同的调度策略。

1） 关闭内核抢占 ，初始化部分变量。获取当前CPU的ID号，并赋值给局部变量CPU， 使rq指向CPU对应的运行队列 。 标识当前CPU发生任务切换 ，通知RCU更新状态，如果当前CPU处于rcu_read_lock状态，当前进程将会放入rnp-> blkd_tasks阻塞队列，并呈现在rnp-> gp_tasks链表中。 关闭本地中断 ，获取所要保护的运行队列的自旋锁， 为查找可运行进程做准备 。

2） 检查prev的状态，更新运行队列 。如果不是可运行状态，而且在内核态没被抢占，应该从运行队列中 删除prev进程 。如果是非阻塞挂起信号，而且状态为TASK_INTER-RUPTIBLE，就把该进程的状态设置为TASK_RUNNING，并将它 插入到运行队列 。

3）task_on_rq_queued(prev) 将pre进程插入到运行队列的队尾。

4）pick_next_task 选取将要执行的next进程。

5）context_switch(rq, prev, next)进行 进程上下文切换 。

1) 该进程分配的CPU时间片用完。

2) 该进程主动放弃CPU(例如IO操作)。

3) 某一进程抢占CPU获得执行机会。

Linux并没有使用x86 CPU自带的任务切换机制，需要通过手工的方式实现了切换。

进程创建后在内核的数据结构为task_struct ， 该结构中有掩码属性cpus_allowed，4个核的CPU可以有4位掩码，如果CPU开启超线程，有一个8位掩码，进程可以运行在掩码位设置为1的CPU上。

Linux内核API提供了两个系统调用 ，让用户可以修改和查看当前的掩码：

1) sched_setaffinity()：用来修改位掩码。

2) sched_getaffinity()：用来查看当前的位掩码。

在下次task被唤醒时，select_task_rq_fair根据cpu_allowed里的掩码来确定将其置于哪个CPU的运行队列，一个进程在某一时刻只能存在于一个CPU的运行队列里。

在Nginx中，使用了CPU亲和度来完成某些场景的工作：

worker_processes      4;

worker_cpu_affinity 0001001001001000;

上面这个配置说明了4个工作进程中的每一个和一个CPU核挂钩。如果这个内容写入Nginx的配置文件中，然后Nginx启动或者重新加载配置的时候，若worker_process是4，就会启用4个worker，然后把worker_cpu_affinity后面的4个值当作4个cpu affinity mask，分别调用ngx_setaffinity，然后就把4个worker进程分别绑定到CPU0～3上。

worker_processes      2;

worker_cpu_affinity 01011010;

上面这个配置则说明了两个工作进程中的每一个和2个核挂钩。