小林图解系统进程与线程

四、进程与线程

1. 进程线程基础知识

进程：

我们编写的代码只是一个存储在硬盘的静态文件，通过编译后就会生成⼆进制可执行文件，当我们运行这个可执行文件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，那么这个运行中的程序，就被称为「进程」（Process） 。

进程的状态：

一个进程的活动期间至少具备三种基本状态，即运行状态、就绪状态、阻塞状态

此外，进程还有另外两个基本状态：创建状态和结束状态

因为阻塞状态的进程占用了物理内存，因此，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到硬盘，等到再次运行的时候，再从硬盘换入到物理内存。这种行为也叫做挂起状态，挂起状态又分为阻塞挂起状态和就绪挂起状态两种。

进程的控制结构：操作系统中使用进程控制块(PCB)来描述进程，每个PCB通常是通过链表的方式进行组织。

PCB包含的信息：

• 进程描述信息：
  • 进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符；
  • 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；
• 进程控制和管理信息：
  • 进程当前状态，如 new、 ready、 running、 waiting 或 blocked 等；
  • 进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；
• 资源分配清单：
  • 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息，所打开文件的列表和所使用的 I/O 设备信息。
• CPU 相关信息：
  • CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时， CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB
    中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。

进程的控制

1.创建进程

• 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的 PCB， PCB 是有限的，若申请失败则创建失败；
• 为进程分配资源，此处如果资源不足，进程就会进入等待状态，以等待资源；
• 初始化 PCB；
• 如果进程的调度队列能够接纳新进程，那就将进程插入到就绪队列，等待被调度运行；

2.终止进程：正常结束、异常结束和外界干预(信号kill掉)

• 查找需要终止的进程的 PCB；
• 如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
• 如果其还有子进程，则应将其所有子进程终止；
• 将该进程所拥有的全部资源都归还给父进程或操作系统；
• 将其从 PCB 所在队列中删除；

3.阻塞进程

• 找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
• 如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
• 将该 PCB 插入到阻塞队列中去；

4.唤醒线程

• 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
• 将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
• 把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

进程的上下文切换

进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。 通常，会把交换的信息保存在进程的 PCB，当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行。

线程：

线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程与进程的最大区别为：线程是调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位

线程的优点：

• 一个进程中可以有多个线程
• 各个线程之间可以并发执行
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

线程的缺点:

• 当进程中的一个线程崩溃时，会导致所属进程的所有线程崩溃

线程在创建，终止，线程切换(同一进程内的不同线程)，共享内存和文件资源等方面都比进程快

线程的实现：

• 用户线程（User Thread） ：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由用户态的线程库来完成线程的管理；对于操作系统不能看见TCB，只能看得见整个进程的TCB，上下文切换发生在用户空间，不用通过内核，切换速度较快。
• 内核线程（Kernel Thread） ：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程，用户线程和内核线程是1对1的；缺点是线程的开销比较大
• 轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中来支持用户线程；

调度：

实际上就是选择一个进程执行

• 非抢占式调度算法就是挑选进程运行直到被阻塞，才会调用另外一个进程；
• 抢占式调度算法就是挑选一个进程只允许一段时间，到时如果没执行完，就会将其挂起。也就是时间片机制

针对上面的五种调度原则，总结成如下：

• CPU 利用率：调度程序应确保 CPU 是始终匆忙的状态，这可提高CPU 的利用率；
• 系统吞吐量：吞吐量表示的是单位时间内 CPU 完成进程的数量，长作业的进程会占用较长的 CPU 资源，因此会降低吞吐量，相反，短作业的进程会提升系统吞吐量；
• 周转时间：周转时间是进程运行和阻塞时间总和，一个进程的周转时间越小越好；
• 等待时间：这个等待时间不是阻塞状态的时间，而是进程处于就绪队列的时间，等待的时间越长，用户越不满意；
• 响应时间：用户提交请求到系统第一次产生响应所花费的时间，在交互式系统中，响应时间是衡量调度算法好坏的主要标准。

调度算法

• 先来先服务，FCFS，可能有一个长作业，后面短作业都得等着
• 短作业优先(SJF)：也就是运行时间越短(占CPU的时间)的任务先完成，长作业可能一直等待
• 时间片轮转(RR)：每个线程分配一定时间，没执行完也会切换下一个，时间片过长，退回到FCFS
• 高优先级(HPF)：业务按照优先级处理，运行时间越长，降低其优先级。等待时间越长，提高其优先级
• 多级反馈队列(MFQ)：优先级越高时间片越短，如果长作业到了高优先级没有轮到，会将其放到此优先级的队列末尾，这样虽然等待时间增长，但是轮到自己可以运行的时间也变长了，算是一种平衡。

4.2 进程间通信

进程间通信的方式：管道，消息队列，共享内存，信号量，信号，Socket；进程间通信是需要内核作为支持的

管道：$ ps auxf | grep mysql ;|就是一个管道，他的作用是将前一个命令的输出，作为后一个命令的输入。管道传输数据是单向的。如果想双向通信，就需要创建两个管道；这里的管道是匿名管道。(实际上是创建了两个子进程，子进程都复制了父进程的文件描述符来实现通信)，其生命周期随着进程创建而建立，随着进程终止而消失。

也可以创建命名管道，也被叫做FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。在使用命名管道前，先需要使用mkfifo来创建，并指定管道名字：$ mkfifo myPipe,然后可以向管道中写入数据$ echo "hello" > myPipe，并执行另外一个命令来读取数据$ cat < myPipe

管道的缺点是通信效率低，不适合频繁的进程间交换，优点就是简单。匿名管道是特殊的文件，只存在内存中，不存在文件系统中。管道实际就是内核中的一串缓存。从管道的一段写入的数据缓存在内核中，另一端再读取。

• 对于匿名管道，它的通信范围是存在父子关系的进程。因为管道没有实体，也就是没有管道文件，只能通过 fork 来复制父进程 fd文件描述符，来达到通信的目的。
• 对于命名管道，它可以在不相关的进程间也能相互通信。因为命令管道，提前创建了一个类型为管道的设备文件，在进程里只要使用这个设备文件，就可以相互通信。

消息队列：消息队列是保存在内核中的消息链表，发送数据时，会分成一个个独立的数据单元，也就是消息体。发送时只需要把数据放到对应的消息队列就可以了，不需要等待对端读取。(相对比管道的改进)，此外，还克服了管道通信的数据是无格式的字节流的问题。

存在的问题：通信不及时(存在内核态和用户态之间的数据拷贝开销)，而且附件大小有限制(Linux中定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度)。

共享内存：相较于消息队列不存在用户态和内核态的消息拷贝过程。拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中去。

信号量：共享内存存在的问题，如果多个进程同时修改一个共享内存，很有可能会出现冲突。为了防止多进程竞争共享资源造成数据错乱，需要保护机制，也就是信号量，其主要用于实现进程间的互斥和同步，使得共享的资源在任意时刻只能被一个进程访问。

• P操作：进入共享内存之前，把信号量减1，如果信号量 < 0，表明资源已被占用，进程需阻塞等待。如果信号量 >=0，表面还有资源可用，进程可以正常执行。
• V操作：离开共享内存之后，把信号量加1，如果信号量 < 0，表明资源已被占用，进程需阻塞等待。如果信号量 >=0，表面还有资源可用，进程可以正常执行。

当信号量初始化为1时，就代表互斥信号量，共享内存任意时刻只有一个进程在访问。

当信号量初始化为0时，就代表同步信号量，保证进程A应在进程B之前执行。

信号：对于异常的工作情况，就需要用信号的方式(异步通信机制)来通知进程。例如Ctrl + C代表SIGINT信号，表示终止进程；Ctrl + Z代表SIGTSTP信号，表示停止进程，但还没结束。

Socket：前面的管道，消息队列，共享内存，信号，信号量都是同一主机间的进程间通信，如果想跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要Socket。

4.3 多线程同步

出现的背景：对于共享资源，如果没有上锁，在多线程的环境中，就有可能出现问题。线程是调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位。

多线程在相互竞争共享变量时，如果运气不好，在执行过程中就可能出现上下文切换，输出的结果存在不确定性。

为了实现进程/线程间正确的协作，主要的方法有两种：

• 锁：加锁、解锁操作
• 信号量：P、V操作

4.4 死锁

当互斥锁使用不当的时候，可能造成两个线程都在等待对方释放锁，没有外力作用的情况下，这些线程会一直相互等待对方释放锁，这时就发生了死锁。

死锁必须同时满足下面的条件才会发生：

• 互斥条件：多个线程不能同时使用同一个资源
• 持有并等待条件：线程A持有资源1，还需要资源2，但是资源2被占用了，等待的过程中不能释放资源1
• 不可剥夺条件：若线程持有资源，自己使用完之前不能被其他资源获取
• 环路等待条件：死锁发生时，两个线程获取资源的顺序构成了环形链

避免死锁问题，就要破坏其中的条件，最常用的就是资源有序分配法来破坏环路等待条件。(也就是不同线程获取资源的顺序相同)

4.5 悲观锁和乐观锁

当加锁失败时，互斥锁用线程切换来应对，自旋锁用忙等待来应对。

• 互斥锁加锁失败后，线程会释放CPU给其他进程，线程加锁的代码会被阻塞，需要两次上下文切换的成本；(用户态和内核态之间)
• 自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到他拿到锁。在锁住的代码执行时间很短时应该用自旋锁，其在用户态完成加锁和解锁操作，在等待锁时使用CPU提供的PAUSE，相当于while循环。

读写锁：如果只读取共享资源加读锁，如果需要修改共享资源加写锁；

互斥锁、自旋锁、读写锁都属于悲观锁，每次在访问共享资源时，都需要上锁。

相反的，如果多线程同时修改共享资源的概率比较低，就可以采用乐观锁。比如在线文档

加锁需要注意的点时加锁的粒度应该尽可能的小，这样执行速度会比较快；