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  • 同步异常与异步异常

    2020-08-03 13:36:05
    参考:...大概可以理解为异步异常是指由当前程序之外的因素引起的异常,如来自I/O设备的信号。 同步异常是指由当前程序本身引起的异常,如系统调用、page fault、segmetation fault。 ...

    参考:https://blog.csdn.net/shuiliusheng/article/details/82227189

    大概可以理解为异步异常是指由当前程序之外的因素引起的异常,如来自I/O设备的信号。
    同步异常是指由当前程序本身引起的异常,如系统调用、page fault、segmetation fault。

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  • ——————————————————————异常 背景—————————————————————— 上面说了一大篇,对主题的意义就是表述清楚一件事:异常,使指令流直接在CPU上执行而不会劫持CPU。 而我...

    ——————————————————————异常 背景——————————————————————

     

    上面说了一大篇,对主题的意义就是表述清楚一件事:异常,使指令流直接在CPU上执行而不会劫持CPU。

    而我认为这是所谓CPU支持虚拟化的关键点,同样是系统调用的关键点(内核保护自己的保障,MMU也应该算在内,另说)。

    另外:

    Aarch64将异常划分了等级,我就不絮叨了,然后aarch32/aarch64的执行状态也被我扔掉了aarch32的部分。

    两阶段MMU的问题已经絮叨的非常完备,同样被我作为默认已知条件了。

    EL3并没有太复杂的设计(其实是我没去搞清楚),我也作为已知条件来说了。

     

     

    ——————————————————————异常之同步与异步——————————————————————

    在说异常之前,还要给出两个定义,同步异常和异步异常。

    或许我们能想到同步异常和异步异常分别是什么东西,但是从阅读指令集得到的结果看,这里面有更深入的东西在。

    先说同步异常,同步异常是精确异常(precise exception),何为同步异常?又何为精确异常呢?

    首先,当同步异常产生后,指令流会立刻进入异常处理流程,

    是的,是立刻,立刻到什么程度?

    立刻到指令执行完,甚至是尝试执行指令,产生了异常就去处理异常了。

    这是同步异常。

    啥要叫精确异常呢?

    精确,意味着此异常发生时(注意,大招要来了):乱序且并发执行的指令们会被整理好,就好像没有乱序并行的执行一样(这回引出另外一个超标量体系架构的问题,请自行搜索了)。

    在此,我就不写more than one single-copy atomic memory access的细节(主要没搞明白),

    需要指出的一点就是,LDP/STP等指令会不止一次访存;

    如果load/store指令指定会写新基址时抛出异常后,基址会被改回原值;

    如果指令要加载到基址/偏移寄存器时抛出异常,基址/偏移寄存器会被改回原值,并且所有目标寄存器都变为未知; 

    如果指令不是加载基址/偏移寄存器,但抛出了异常,仅目标寄存器变未知)。

    如果所生成的异常是more than one single-copy atomic memory access的一部分产生的,

    那么,精确定义允许寄存器中的值或受指令影响的内存可以是未知的

    (这段我是原文译过来的,我的理解是为了能够做崩溃转存或是打印崩溃信息,

    这些位置的数据虽然是不对的,但是打印的时候必然会访问它们,

    如果访问的时候抛出异常,那就死循环或打不出来了,

    于是虽然数据不对,但是允许访问,但是我不是非常确定我的理解正确性)。

     

    对于同步异常,还有一个问题,哪些异常是同步异常?

    首先,在前言中提到的SVC,即发生syscall的指令的执行(EL0->EL1),即为同步异常;

    从EL1向EL2发出的hypercall同样是同步异常,

    同步异常超级强大的响应速度(立刻!)为基于大量系统调用的宏内核结构提供了效率上的支持,

    微内核一直想做的都是用用户态进程来提供服务,以替代内核提供syscall,

    我只能表示虽然长得美,但是想的更美

    (当然,我并非认为微内核不会取代宏内核,

    相反,我非常坚定地认为微内核会取代宏内核,

    我有多个关键且合理的理由以及能解决两个问题方法,但我没有解决所有我看到的问题的方法

    所有我就不说了(等有人提出解决方法,我就说我也想到了,奸笑))。

    HVC即hypercall与syscall一样是同步异常,飞快飞快的。

    其他还有很多同步异常,如指令中止、数据中止(这些都是MMU搞得事情),

    还有一些错误产生的异常,

    如执行未定义指令、PSTATE.IL置1时还想执行指令、SP未对齐、PC未对齐、

    低异常等级下执行了高异常等级的指令、调适异常、浮点异常、外部中止等等。

     

    然后对于异步异常:

    异步异常比较好说,主要是从外部发送给PE的信号们,SError、IRQ、FIQ等。

    在EL1中还有vSError、vIRQ、vFIQ等,这些都是在EL2下可以触发的,

    也可以在EL2直接映射到物理中断,当然SError对应vSError,IRQ对应vIRQ,FIQ对应vFIQ。

    EL1被ARM定义为内核应该在的异常等级,内核的虚拟CPU肯定是会被调度到等待状态的,当

    虚拟CPU正在CPU上执行的时候,这些vXXX中断发生后,会直接给到虚拟CPU,

    当然,这中间还有vGIC的事儿,

    但如果内核的虚拟CPU不在执行中,当其被投入运行的时候就会给入vXXX中断。

     

    在本文之前版本中有一个隐式的错误:

    我虽没有明确的指出同步异常即为精确异常,异步异常为非精确异常,但行文上下给出了这一错误暗示;

    因此给出明确的澄清:

    同步异常是精确地,这没问题;但是异步异常并不是非精确异常,在仔细的再次查阅指令集后,

    指令集中非精确异常仅在SError中断IMPLEMENTATION DEFINEED(厂商实现决定)的时候才存在。

    但有一点是明确的,异步异常可以是非精确的,但我认为异步异常大多是精确地。

    另外,本文中如有任何错误,请立刻毫不犹豫的迅速的联系我。我收到消息后会立刻给出回复,并修正或给出解释。

     

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  • 【SpringBoot WEB 系列】WebClient 之同步与异步回顾一下最开始介绍 WebClient 的使用姿势之前,我们介绍了 AsyncRestTemplate 来实现异步的网络请求;但是在 Spring5 之后,官方推荐使用 WebClient 来替换 ...
    648be46cd822749546b92a717e1d5acc.png

    【SpringBoot WEB 系列】WebClient 之同步与异步

    回顾一下最开始介绍 WebClient 的使用姿势之前,我们介绍了 AsyncRestTemplate 来实现异步的网络请求;但是在 Spring5 之后,官方推荐使用 WebClient 来替换 AsyncRestTemplate 实现异步请求;所以一般来讲,WebClient 适用于异步的网络访问,但是,假设我需要同步获取返回结果,可行么?

    (本文也是webclient系列中最后一篇,接下来进WebFlux系列教程)

    I. 项目环境

    本项目借助SpringBoot 2.2.1.RELEASE + maven 3.5.3 + IDEA进行开发

    1. 依赖

    使用 WebClient,最主要的引入依赖如下(省略掉了 SpringBoot 的相关依赖,如对于如何创建 SpringBoot 项目不太清楚的小伙伴,可以关注一下我之前的博文)

    <dependency>
        <groupId>org.springframework.bootgroupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-webfluxartifactId>
    dependency>

    2. 测试接口

    @GetMapping(path = "get")
    public Mono get(String name, Integer age) {
        return Mono.just("req: " + name + " age: " + age);
    }

    @GetMapping(path = "mget")
    public Flux mget(String name, Integer age) {
        return Flux.fromArray(new String[]{"req name: " + name, "req age: " + age});
    }

    II. 同步返回

    需要同步返回结果还是比较简单的,获取对应的 Mono/Flux 之后调用一下block()方法即可,但是需要注意,这里也有一个潜在的坑

    1. 实现方式

    public void sync() {
        // 同步调用的姿势

        // 需要特别注意,这种是使用姿势,不能在响应一个http请求的线程中执行;
        // 比如这个项目中,可以通过  http://127.0.0.1:8080/test 来调用本类的测试方法;但本方法如果被这种姿势调用,则会抛异常;
        // 如果需要正常测试,可以看一下test下的调用case

        WebClient webClient = WebClient.create("http://127.0.0.1:8080");

        String ans = webClient.get().uri("/get?name=一灰灰").retrieve().bodyToMono(String.class).block();
        System.out.println("block get Mono res: " + ans);


        Map uriVariables = new HashMap<>(4);
        uriVariables.put("p1""一灰灰");
        uriVariables.put("p2"19);
        List fans =
                webClient.get().uri("/mget?name={p1}&age={p2}", uriVariables).retrieve().bodyToFlux(String.class)
                        .collectList().block();
        System.out.println("block get Flux res: " + fans);
    }

    项目启动之后,我们写一个测试类来调用这个方法

    @Test
    public void sync() {
        WebClientTutorial web = new WebClientTutorial();
        web.sync();
    }

    如果我们换成下面这种写法,就会报错了

    @GetMapping(path = "test")
    public String test() {
        WebClientTutorial web = new WebClientTutorial();
        web.sync();
        return "over";
    }
    7d3d39c7f8121a9fe1f1caa65d1db842.png

    III. 其他

    0. 项目

    系列博文

    • 【WEB 系列】WebClient 之策略设置
    • 【WEB 系列】WebClient 之非 200 状态码信息捕获
    • 【WEB 系列】WebClient 之 retrieve 与 exchange 的使用区别介绍
    • 【WEB 系列】WebClient 之超时设置
    • 【WEB 系列】WebClient 之 Basic Auth 授权
    • 【WEB 系列】WebClient 之请求头设置
    • 【WEB 系列】WebClient 之文件上传
    • 【WEB 系列】WebClient 之基础使用姿势

    源码

    • 工程:https://github.com/liuyueyi/spring-boot-demo
    • 源码:https://github.com/liuyueyi/spring-boot-demo/tree/master/spring-boot/222-web-client

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  • 背景 在前段时间检查异常连接导致的内存泄漏排查的过程中,主要涉及到了windows异步I/O...本片文章主要讲解同步I/O与异步I/O相关知识,希望通过编写本篇文章为起点,对windows内核原理知识进行学习与梳理。发现并弥...

    背景

    在前段时间检查异常连接导致的内存泄漏排查的过程中,主要涉及到了windows异步I/O相关的知识,看了许多包括重叠I/O、完成端口、IRP、设备驱动程序等Windows下I/O相关的知识,虽然学习到了很多东西,但是仍然需要自顶而下的将所有知识进行梳理。

    目的

    本片文章主要讲解同步I/O与异步I/O相关知识,希望通过编写本篇文章为起点,对windows内核原理知识进行学习与梳理。发现并弥补遗漏的知识点并加以学习。同时通过理解windows内核原理,设计出更好、更合理的应用程序。

    I/O

    I/O即输入输出。在现在操作系统,输入输出是计算机完整功能必不可少的一部分。处理器负责各种计算任务,然后通过各种输入输出设备与外界进行交互。常见的输入输出设备包括键盘、鼠标、显示器、硬盘、网络适配器接口等。有了硬件设备,在软件层面上,使得操作系统通过以一致的方式与设备驱动交互从而的操控硬件设备。而应用程序通过统一的接口与系统内核进行交互。
    Windows从一开始就设计了可扩展的I/O接口。在应用层通过统一的Win32 API,将I/O请求分配给正确的设备驱动程序。设备驱动程序调用设备控制器来操控硬件。而内核通过硬件抽象层与硬件进行交互。硬件抽象层提供了供内核和驱动调用的例程

    例程就是系统提供的API或服务。

    在Windows下分为内核模式和用户模式。应用程序运行在用户模式下,操作系统和驱动程序运行在内核模式下。应用程序通过调用Win32 API与Windows内核交互。
    20190820191937.png
    Windows内核则通过设备驱动程序与设备控制器进行通讯,而设备控制器则直接操控硬件设备。
    设备驱动程序分为即插即用驱动程序、内核扩展驱动程序和文件系统驱动程序。其中文件系统驱动程序用于接收I/O请求,然后将请求转换为真正的存储设备或网络设备的I/O请求。
    20190820191133.png

    设备控制器可以通过内存映射I/O的方式将设备的内存与主存映射,通过内存映射I/O后,处理器访问的就不是主存而是设备控制器的寄存器内存。但是这种方式的访问效率并不高,不适合大数据量I/O读写。通常硬盘和网络驱动器采用直接访问内存(DMA)的方式进行大量数据的I/O操作。DMA需要硬件支持,硬件会有DMA控制器,在硬件执行I/O操作的时候,不会占用CPU的指令周期,DMA控制器会和设备进行I/O操作。当数据传输完成后,DMA则会通知处理器I/O操作完成。

    20190820191613.png

    同步I/O

    当我们要把文件从硬盘读取到内存时,硬盘的读取速度是远小于内存的写入速度的。因此当我们使用一个线程从硬盘读取文件到内存中时。通常需要等待硬盘将数据从硬盘读取到内存中,此时线程将被阻塞,但是不会消耗指令周期。当读取完毕时,线程继续执行后续操作。
    虽然DMA执行的时候当前线程被阻塞,此时处理器可以获取另一个线程内核执行其他操作,由于线程是非常昂贵的资源,因此使用同步I/O的方式若需要并发执行时,需要大量的创建线程资源,这就产生了大量的线程上下文切换。

    在大多数x86和x64的多处理器,线程上下文切换时间间隔大约为15ms。
    CPU每过大约15ms将CPU寄存器当前的线程上下文存回到该线程的上下文,然后该线程不在运行。然后系统检查剩下的可调度线程内核对象,选择一个线程的内核对象,将其上下文载入导CPU寄存器中。
    关于Windows线程相关内容可以查阅《Windows via C/C++ 第五版》的第七章

    异步I/O

    前面提到了当硬件进行I/O传输时,实际上通常使用DMA技术执行I/O操作,不会占用CPU的指令周期。因此只要操作系统支持异步I/O,则可以极大的提升系统性能,最大程度的降低线程数量,减少线程上下文切换产生的性能损失。

    在Windows下的异步I/O我们也可以称之为重叠(overlapped)I/O。重叠的意思是执行I/O请求的时间与线程执行其他任务的时间是重叠的,即执行真正I/O请求的时候,我们的工作线程可以执行其他请求,而不会阻塞等待I/O请求执行完毕。

    当使用一个线程向设备发出一个异步I/O请求时,该请求被传给设备驱动程序,设备驱动程序处理I/O请求时并不会等待I/O请求完成,而是将I/O请求加入到设备驱动程序的队列中,然后返回一个I/O处理中的信号。而实际的I/O操作则由设备驱动程序将I/O请求传给指定的硬件设备执行I/O操作。应用程序的线程并不需要挂起等待I/O请求的完成,从而可以继续执行其他任务。当某一时刻设备驱动程序完成了该I/O请求处理,设备控制器通过中断指令通知I/O请求完成,处理器则将通知I/O请求已完成。

    I/O完成通知

    在Windows中一共支持四种接收完成通知的方式。分别为触发设备内核对象、触发时间内核对象、可提醒I/O以及I/O完成端口。

    触发设备内核

    当设备驱动加载时会创建一个设备驱动对象,设备驱动程序还会为设备创建对应的设备对象。设备对象代表的是每一个物理设备或逻辑设备。设备对象描述了一个特定设备的状态信息,包括I/O请求的状态。在通过异步I/O将I/O请求添加到队列之前,会将设备内核对象设置为未触发,此时就可以使用该设备内核对象进行同步操作,当I/O请求完成后则会将设备内核对象设置为触发状态。使用设备内核对象进行线程同步时,无法区分当前完成通知的I/O是读操作还是写操作,因此无论是读还是写都会将其状态设置为触发状态。

    事件内核对象

    通过设备内核对象进行I/O通知由于无法区分读写操作,因此并没有什么用。通过事件内核对象我们可以将读写事件分离。在调用读写操作的时候会返回对应的读写事件内核对象。这样我们就可以等待对应的事件内核对象知道是什么I/O操作完成。我们可以通过等待多个事件内核对象,但是一次性最多只能等待64个事件内核对象,即一个线程最多只能创建64个事件内核对象进行等待。若需要监控上万个连接,则需要创建上百个线程进行监控。

    可提醒I/O

    在系统创建线程的时候会创建一个与线程相关的队列,该队列被称为异步调用(APC)队列,当发出一个I/O请求时,我们可以告诉设备驱动程序在调用线程的APC队列中添加一项完成函数,在I/O完成通知时调用完成函数进行回调。I/O完成通知最大的问题是,请求时哪个线程调用的,必须由哪个线程回调。它不支持负载均衡机制。

    完成端口

    I/O完成端口的设计理论依据是并发编程的线程数必须有一个上限,即最佳并发线程数为CPU的逻辑线程数。I/O完成端口充分的发挥了并发编程的优势的同时又避免了线程上下文切换带来的性能损失。
    完成端口可能是最复杂的内核对现象,但是它又是Windows下性能最佳的I/O通知方式。

    首先我们需要创建一个I/O完成端口,创建完成端口的时候可以指定线程数量。通过将设备与I/O完成端口进行关联。此使我们发出的I/O请求时,系统内核返回IO_PENDDING状态,然后线程就可以继续处理其他事情。而DMA继续执行I/O操作,将数据从设备读取到设备控制器的缓冲区中,并对其进行必要的校验后,将数据通过系统总线传输到内存中。当数据传输完成后,DMA发出中断指令通知数据传输完毕,系统则会通过前面创建的I/O线程将I/O完成请求加入到I/O完成队列中。

    然后我们通过调用Win32 API就可以获取到对应的设备I/O完成请求通知,通知会将I/O完成请求从完成队列移除。

    总结

    1. 同步I/O会阻塞线程,想要提高执行速度必须增加线程,但是会由于线程上下文切换造成性能损失。
    2. Windows下大约每15ms会进行一次线程调度。减少windows线程能降低内存占用(默认线程栈大小为1M),降低线程上下文切换造成的性能损失。
    3. Windows支持原生的异步I/O。异步I/O也可以称为重叠I/O。使用异步I/O时线程不会阻塞,系统底层将每个I/O请求生成I/O请求包(IRP)加入到设备驱动程序的请求队列中,然后直接返回IO_PENDDING状态表示请求受理成功,当底层设备完成了真实的I/O请求后会通过中断控制器通过中断操作通知CPU,CPU会调度一个线程通知上层设备驱动程序,将完成通知加入到完成队列中。此时上层应用即可获取到完成通知。
    4. 完成端口是windows下性能最佳的完成通知方式。它最大程度的减少线程上下文切换。
    5. 使用异步I/O和完成端口实现高性能I/O操作的主要原因有三点。一是减少I/O上下文切换;二是异步不阻塞线程,预先提供一个socket用于连接,而不是接受到时再创建socket(socket创建也是比较耗资源的);三是避免了内存复制。
    6. 如何减少线程,如何避免内存复制,如何提高线程利用率,避免线程阻塞。以上几点是所有高性能框架或高性能应用程序必备的条件。
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