降妖除魔 | 究竟什么是阻塞?

沙海 2021年6月28日01:18:24Java评论22字数 4699阅读15分39秒阅读模式
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很多词汇,不论对科班生还是非科班生,如果不知道底层原理,就永远是一个魔法词汇。我们跟踪一下这一行代码的源码,九曲十八弯之后,终于跟踪到了一个不能再往下跟踪的native代码。我这里简单挑出重点,说明一下schedule也就是进程调度的过程,以linux-0.11为例。我们只看第一条就好了,进程调度机制在选择下一个要调度的进程时,会跳过不是RUNNABLE状态的进程。Java代码中的一行readline会导致阻塞,实际上就是运行到了这段代码。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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降妖除魔 | 究竟什么是阻塞?

程序员小灰 文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

以下文章来源于低并发编程,作者闪客sun文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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降妖除魔 | 究竟什么是阻塞?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

低并发编程文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

战略上藐视技术,战术上重视技术文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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前言:很多词汇,不论对科班生还是非科班生,如果不知道底层原理,就永远是一个魔法词汇。这些魔法词汇一多,就会导致晕头转向。降妖除魔,就是要斩杀这些如妖魔鬼怪般的魔法词汇。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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问两个问题文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

阻塞,是我们程序员口中常常提到的词。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这个词,既熟悉,又陌生,熟悉到一提到它就倍感亲切,但一具体解释,就迷迷糊糊。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这个函数是阻塞的么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

public void function() {  while(true){}}
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如果你说不出来,那你再看看这个函数是阻塞的么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

public void function() {  Thread.sleep(2000);}
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为了搞清楚这个问题,我们就来一起追踪一下阻塞的本质,消灭阻塞这个魔法词汇。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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从一段 Java 代码开始文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

写一段很简单的 java 代码文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

import java.util.Scanner;public class Zuse {public static void main(String[] args) {     Scanner scanner = new Scanner(System.in);     String line = scanner.nextLine();     System.out.println(line);  }}
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运行这段代码发现,程序将会"阻塞"scanner.nextLine() 这一行代码,直到用户输入并且按下了回车键,程序才会继续往下走,打印我们输入的内容,并且结束。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

我们跟踪一下这一行代码的源码,九曲十八弯之后,终于跟踪到了一个不能再往下跟踪的 native 代码。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

private native int readBytes(byte b[], int off, int len) throws IOException;
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当然我们可以通过 openJDK 源码继续查下去,但我有点懒,怕翻车,这里用另一个巧妙的办法。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

由于我们知道这个代码一定最终会触发一次 linux 的 IO 操作相关的系统调用,所以我们用 strace 命令直接将其找到。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

strace -ff -e trace=desc java Zuse
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我们看到程序阻塞在了这里。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

read(0,
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当我们输入一个字符串 "hello" 并按下回车后,这个系统调用函数被补全。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

read(0, "hello\n", 8192)
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OK大功告成,触发 linux 的系统调用就是 read()文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这样,我们成功通过 strace 命令,直接跨越到了 linux 内核里,中间的调用过程,就不用瞎操心了。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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来到 linux 内核文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

linux 的系统调用会注册到系统调用表(sys_call_table)中,通常是在前缀加一个 sys_。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,  sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,  sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,  sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,  sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,  sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,  sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,  sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,  sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,  sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,  sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,  sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,  sys_setreuid, sys_setregid};
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所以我们就定位到 sys_read 函数,这个函数在 linux 内核源码的 read_write.c 文件中。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

int sys_read (unsigned int fd, char *buf, int count){   ...if (S_ISCHR (inode->i_mode))return rw_char (...);if (S_ISBLK (inode->i_mode))return block_read (...);   ...}
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我们读取的是标准输入,属于字符型文件,走第一个分支。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

之后,要经过非常非常多的调用栈,我感觉是 linux 当中最繁琐的历程了,这个过程在我脑子里还是一片浆糊。具体可以看飞哥的《read一个字节实际发生了什么》,一行一行源码给你分析清楚,不过是以读取磁盘为例,和这个读取终端设备一样也要经历文件系统的层层折磨。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

由于我们只想知道阻塞的本质,所以,忽略中间这一大坨。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

跟到最后,发现一句关键代码,让我提起了精神。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

if (EMPTY (tty->secondary)) { sleep_if_empty (&tty->secondary);}
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再往里跟文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

static void sleep_if_empty (struct tty_queue *queue) { // 关中断 cli (); // 只要队列为空 while (EMPTY (*queue))   // 可中断睡眠   interruptible_sleep_on (&queue->proc_list); // 开中断 sti ();}
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继续往里跟文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

// 将当前任务置为可中断的等待状态void interruptible_sleep_on (struct task_struct **p) { ... current->state = TASK_INTERRUPTIBLE; schedule (); ...}
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OK,整个流程简单描述就是,只要用户不输入,字符队列就为空,此时将调用一个 interruptible_sleep_on 函数,将线程状态变为可中断的等待状态,同时调用 schedule() 函数,强制进行一次进程调度文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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从进程调度看阻塞的本质文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

关于进程是怎么调度的,可以看《上帝视角看进程调度》文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

我这里简单挑出重点,说明一下 schedule 也就是进程调度的过程,以 linux-0.11 为例。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

很简答,这个函数就做了三件事:文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

1. 拿到剩余时间片(counter的值)最大且在 runnable 状态(state = 0)的进程号 next。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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2. 如果所有 runnable 进程时间片都为 0,则将所有进程(注意不仅仅是 runnable 的进程)的 counter 重新赋值(counter = counter/2 + priority),然后再次执行步骤 1。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

3. 最后拿到了一个进程号 next,调用了 switch_to(next) 这个方法,就切换到了这个进程去执行了。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

我们只看第一条就好了,进程调度机制在选择下一个要调度的进程时,会跳过不是 RUNNABLE 状态的进程文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

而我们刚刚将当前任务设置为 TASK_INTERRUPTIBLE,就是告诉进程调度算法,下次不要调度我,相当于放弃了 CPU 的执行权,相当于将当前进程挂起文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

而底层的这一个操作,直接导致上层看来,像是停在了那一行不走一样,就是这一行。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

import java.util.Scanner;public class Zuse {public static void main(String[] args) {     Scanner scanner = new Scanner(System.in);     String line = scanner.nextLine();     System.out.println(line); }}
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这就是阻塞的本质。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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再看唤醒的本质就简单了文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

有阻塞就有唤醒,当我们按下键盘时,会触发键盘中断,会进入键盘中断处理函数,keyboard_interrupt。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这个函数是提前注册在中断向量表里的。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

再次经过九曲十八弯的跟踪后,发现这样一句代码。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

wake_up(&tty->secondary.proc_list);
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跟进去。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

void wake_up(struct task_struct **p){    if (p && *p) {        (**p).state = TASK_RUNNABLE;        *p = NULL;    }}
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一目了然,将进程的状态改为 RUNNABLE,一会进程调度时,就可以参与了。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这就是阻塞后,唤醒的本质。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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总结文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

所以,Java 代码中的一行 readline 会导致阻塞,实际上就是运行到了这段代码。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

interruptible_sleep_on (&tty->secondary->proc_list);
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而键盘输入后会将其唤醒,实际上就是运行到了这段代码。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

wake_up(&tty->secondary.proc_list);
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这两段代码里,其实就是通过改写 state 值去玩的,剩下的交给调度算法文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

// 阻塞current->state = TASK_INTERRUPTIBLE;// 唤醒(**p).state = TASK_RUNNABLE;
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所以开篇两个问题,你可以回答了么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

这个函数是阻塞的么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

public void function() { while(true){}}
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这个函数是阻塞的么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

public void function() { Thread.sleep(2000);}
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答案都是否定的,因为这两个都没有让出 CPU 资源。(笔误,sleep是让出CPU资源的)文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

而阻塞的本质,是将进程挂起,不再参与进程调度。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

而挂起的本质,其实就是将进程的 state 赋值为非 RUNNABLE,这样调度机制的代码中,就不会把它作为下一个获得 CPU 运行机会的可选项了。文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

怎么样,阻塞这个妖魔,除了么?文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

同时,欢迎大家提供更多的魔法词汇,让我来扒开他们的外衣!文章源自JAVA秀-https://www.javaxiu.com/35627.html

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