"Java多线程基础-2:简介虚拟地址空间——保障进程间独立性的机制 "

简介: 如何保障进程之间这样的独立性?操作系统采用了“虚拟地址空间”的方式。

我们知道,进程之间是相互独立的,在操作系统级别中,一个进程所执行的程序无法直接访问另一个进程所执行的内存区域(即实现进程间通信比较困难);一个进程运行的失败也不会影响其它进程的运行。这使我们的操作系统功能更加稳定。


如何保障进程之间这样的独立性?操作系统采用了“虚拟地址空间”的方式。


一、每个进程都直接访问物理内存的地址会怎样?

物理内存是一块内存条




内存条上有许多内存颗粒(黑色块状的东西就是内存颗粒),它是内存条最核心的部件,是内存的储存介质。里面有许多的存储单元,类似于“小房间”。每个“小房间”都有编号,即“内存地址”。这时我们假设现在有两个进程,它们分别使用一定的内存资源:



此时,就出现了一个严重的问题:由于进程1和进程2使用的是同一块物理内存,且彼此之间没有约束,那么当进程1代码出现bug(如数组下标越界、野指针等问题时),就可能把进程2内存里的内容也搞坏了。进程1的bug,就很有可能引起进程2也bug。试想你浏览器用着用着,QQ崩了;QQ用着用着,桌面崩了……两个进程之间能直接相互影响,这极大地影响了操作系统整体的稳定性。


因而,虚拟地址空间就是来解决这个麻烦问题的。


二、“虚拟内存空间”是如何解决上述问题的?


现在有进程1和进程2,我们给两个进程分别分配一块虚拟的内存空间。然后,操作系统中提供了一个专门的数据结构:页表,通过页表,实现虚拟地址与实际的物理地址之间的映射。如进程1的虚拟地址空间是 0x00 - 0xff,页表就会将这段虚拟地址空间映射到物理内存上的真实地址 0xaa00 - 0xaaff 。同样的,进程2被分配的虚拟地址也会在页表的映射下对应到真实的物理内存上。



此时,站在这两个进程的角度看,它们的代码中操作的内存地址就是 0x00 - 0xff 这一段。这里访问的内存虽然会被操作系统自动映射到真实的物理内存上,但是进程自身是感知不到实际的物理地址是啥的。如果这时,进程1代码bug (比如数组下标越界,野指针等),就没事了。


因为任何一个内存操作都需要通过页表来“翻译”一下地址。如果出现野指针0x2ff,拿着这个地址去页表上找,发现页表上就没有这个地址!那页表便无法翻译,同时也就无法真正修改物理内存。这样一来,也就不会对别的进程的内存数据造成干扰了。


页表最大的作用就是校验,方便知道当前的虚拟地址是否有效。这样,一个进程崩了,不会对别的进程产生影响;进程之间无法直接干预,操作系统的稳定性也就上来了。


三、简述进程间通信的实现


有的情况下,我们需要进程之间能进行交互,相互配合。


但正如上面提到的,如果每个进程可以直接访问物理内存也即进程间没有隔离性,也就不需要进程间通信。进程1直接把算好的结果写到进程2的内存里就行。


但进程之间是有隔离性的。所谓进程间通信,就是在进程间隔离性的前提下,找一个公共的区域,让两个进程借助这个区域来完成数据交换。


这就好像疫情期间封小区,外面的人进不来,小区里的人也出不去(隔离性)。这时,如果小区里的人要买菜,就让小区外头送菜的人把菜放在保安亭,然后自己也去保安亭拿菜。那此时,这个保安亭就是公共空间,它帮助我们小区里被隔离的人和小区外的人实现了“通信”。


这可以理解为,所谓“公共空间”,就是在进程隔离性的情况下,作出了一些小小的妥协。


操作系统提供的实现进程间通信的方式有很多种,如管道、消息队列、共享内存、信号等等。由于编程语言的特点,C++对这部分的研究会比Java更加细致。因为在Java圈子中,并不是很鼓励多进程编程。Java更多地使用文件和socket这两种方式来完成进程间的通信。


在多线程与多进程编程都能满足并发编程的需求的前提下,Java也更鼓励多线程编程。



相关文章
|
8天前
|
分布式计算 JavaScript 前端开发
多线程、多进程、协程的概念、区别与联系
多线程、多进程、协程的概念、区别与联系
19 1
聊聊python多线程与多进程
为什么要使用多进程与多线程呢? 因为我们如果按照流程一步步执行任务实在是太慢了,假如一个任务就是10秒,两个任务就是20秒,那100个任务呢?况且cpu这么贵,时间长了就是浪费生命啊!一个任务比喻成一个人,别个做高铁,你做绿皮火车,可想而知!接下来我们先看个例子:
|
14天前
|
Java 调度
Java并发基础-线程简介(状态、常用方法)
Java并发基础-线程简介(状态、常用方法)
17 0
|
6天前
|
安全 Java Python
GIL是Python解释器的锁,确保单个进程中字节码执行的串行化,以保护内存管理,但限制了多线程并行性。
【6月更文挑战第20天】GIL是Python解释器的锁,确保单个进程中字节码执行的串行化,以保护内存管理,但限制了多线程并行性。线程池通过预创建线程池来管理资源,减少线程创建销毁开销,提高效率。示例展示了如何使用Python实现一个简单的线程池,用于执行多个耗时任务。
18 6
|
8天前
|
Java 程序员
Java多线程编程是指在一个进程中创建并运行多个线程,每个线程执行不同的任务,并行地工作,以达到提高效率的目的
【6月更文挑战第18天】Java多线程提升效率,通过synchronized关键字、Lock接口和原子变量实现同步互斥。synchronized控制共享资源访问,基于对象内置锁。Lock接口提供更灵活的锁管理,需手动解锁。原子变量类(如AtomicInteger)支持无锁的原子操作,减少性能影响。
18 3
|
8天前
|
数据采集 自然语言处理 调度
【干货】python多进程和多线程谁更快
【干货】python多进程和多线程谁更快
12 2
|
18天前
|
安全 开发者 Python
Python中的多线程与多进程编程
Python作为一种广泛使用的编程语言,在处理并发性能时具有独特的优势。本文将深入探讨Python中的多线程与多进程编程技术,分析其原理和应用,帮助读者更好地理解并发编程在Python中的实现与优化。
|
19天前
|
消息中间件 安全 Java
【嵌入式软件工程师面经】Linux多进程与多线程
【嵌入式软件工程师面经】Linux多进程与多线程
17 1
|
20天前
|
并行计算 安全 数据库
多线程与多进程之间的区别
多线程与多进程之间的区别
|
28天前
|
安全 Java 程序员
深入理解Java并发编程:从基础到高级深入理解操作系统中的进程调度策略
【5月更文挑战第29天】 Java并发编程是Java开发中不可忽视的一部分,它涉及到多线程、同步、锁等概念。本文将带你从Java并发编程的基础概念出发,逐步深入到高级应用,让你全面掌握Java并发编程的技巧。