进程和线程--重磅推出--知识点梳理

【参考书籍】：《现代操作系统》

ps：堆栈由于历史的原因，有几个地方叫做堆栈，名称比较混乱：硬件中有一组寄存器称为堆栈，用来在中断发生的时候自动保存当前程序的状态信息（该操作由硬件自动完成）；函数中有一个堆栈，也就是我们常提到的栈空间（函数中的变量）和堆空间（malloc，new）

【进程的三种状态】：就绪，运行，阻塞；运行表示正在run，就绪表示可以run，等待调度程序选中该进程，阻塞表示由于等待某个条件触发，暂时不能run；

【操作系统维护的进程表】：进程表存储了每个进程的相关信息，每个进程对应一个进程表项（说白了就是一个结构体），根据这些信息可以用来进行进程调度；下面是一个进程表项的大致介绍：

    进程管理：寄存器、程序计数器（pc）、程序状态字寄存器、堆栈指针（？这个指的是哪个）、进程状态、优先级、调度参数、进程ID、父进程、进程组、信号、进程开始时间、使用cpu的时间（这里我们可以看到每个进程实际使用了多长的cpu时间）、子进程的cpu时间、下次报警的时间；

    存储管理：正文段指针、数据段指针、堆栈段指针；（ps：？这个数据段指针、堆栈段指针，是否指的是进程的地址空间中对应的数据和堆栈的指针，不清楚，书中没有描述清楚）

    文件管理：根目录、工作目录、文件描述符、用户ID、组ID；

【进程调度具体是如何做的】：下面讲述了进程调度发生的过程，首先说明进程调度的发生都是由于中断的触发（有可能是固定的定时中断，有可能是外部中断等等），当中断发生后，按照如下的步骤完成进程的调度：

    1、硬件自动完成：将程序计数器pc、程序状态字寄存器、寄存器压入堆栈；

    2、进入中断向量控制器；（ps：简单点说就是中断程序的入口地址）；

    3、中断程序开始是一段汇编程序，将刚才由硬件压入堆栈的数据copy到对应的进程表项中，删除堆栈中的数据；

    4、运行由c语言写的中断服务程序（典型的读和缓冲输入）；

    5、运行进程调度程序，选择下一个要运行的进程；

    6、交给汇编程序，将选中进程对应的进程表项中的程序计数器pc、程序状态字寄存器、寄存器等压入堆栈；

    7、交给硬件，从堆栈中恢复选中进程的相关状态，继续执行，此时就换了一个进程；over！！！

【共享只读内存】：操作系统在实现的时候，为了节约资源，对于只读的内存，比如一段程序，多个进程是可以共享的，不过我们一般不需要关注这些；

【进程与线程设计的目的】：设计出进程的目的是为了提高cpu的利用率和响应速度，设计出线程的目的是为了提高进程的效率和响应速度，如出一辙啊；

【进程与线程的对比】：

    1、用户空间中存储内容对比：当然如果线程都是在内核中调度，那么备份信息在内核的内存中，不在用户空间的内存中；

        一个进程对应一个地址空间，地址空间存储的有：地址空间，全局变量，打开文件，子进程，即将发生的报警，信号与信号处理程序，账户信息；

        一个进程中的多个线程，存在与该进程中的同一个地址空间，每个线程中自己存储的数据有：程序的堆栈，备份信息（程序状态字寄存器，程序计数器，寄存器）

    2、切换速度对比：线程的切换速度快，在目前的多核处理器中有硬件支持线程切换，ns级可以完成；进程的切换要陷入到内核，是通过中断来完成的；

    3、创建速度对比：线程的创建速度比进程快10-100倍，可以想象出来，创建线程的时候，不需要新的地址空间，操作系统中不需要新的进程表项；（当然这里比较的对象是用户空间线程，内核级线程不是这样的）

【Pthread提供的线程调用】：ieee定义的线程包

    1、Pthread_create：线程创建

    2、Pthread_exit:：线程退出

    3、Pthread_join ：线程等待特定的线程退出

    4、Pthread_yield ：释放CPu运行另一个线程

    5、Pthread_attr_init ：创建并舒适化一个线程属性结构

    6、Pthread_attr_destory：删除一个线程的属性结构

【线程的实现方式】：

    1、用户空间中实现线程：优点：线程的切换速度非常快，几个指令就可以；缺点：对于会产生系统阻塞的线程（比如等待io，页面故障），会阻塞整个进程；

    2、内核中实现线程：优点：可以很方便的使用系统调用，阻塞的问题解决了；缺点：内核中要维护线程表（里面存储上面我们说的线程的状态信息，包括pc，程序状态字寄存器、寄存器），内核中删除和创建线程的开销较大，线程调度的开销比用户空间中的线程实现相比大得多；

    3、混合实现：每个内核级线程有一个对应的可以轮流调度执行的用户级线程集合；

【进程间通信】：

    竞争条件：两个或者多个进程读写某些共享数据，程序的运行结果，取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件；（比如多个进程共享内核数据结构，共享文件，共享某个标志位等）；

    应对竞争条件的一些低级方法，都或多或少有些毛病，不是特别好：but后面的信号量、互斥量都是在这些方法的基础上稍加改进得到的；

        1、屏蔽中断：只能针对单cpu，多核CPU无效；

        2、锁变量：需要硬件支持，这个其实与4是一样的；

        3、严格轮换法：有忙等待的问题，效率低下；

        4、TSL或XCHG指令：也是忙等待的问题，实际上是硬件通过原子操作实现了锁变量；使得以前需要两步的比较和写入，现在变成了一条指令交换数据，不会发生竞争；

        （忙等待还可能产生优先级反转问题，进入死循环，其实我觉得也是一种死锁）

    生产者消费者问题：对竞争条件的一个形象化的问题描述，直接使用一个普通的count会发生竞争条件，使得陷入无穷的等待；

    信号量：>=0，信号量有down和up操作，这两个操作分别是原子操作不可分割，信号量的原子操作中有三步：信号量的检查、修改、可能发生的睡眠，这三步是不可分割的；信号量的实现主要是两点，一是使用TSL或XCHG锁定总线防止其他CPU访问，二是屏蔽当前CPU的中断免除不必要的调度切换；

     信号量的作用：对于多个进程共享的变量，可以很方便的实现互斥；建立在互斥的基础上，可以实现进程间的同步；比如解决消费者生产者问题，如果要实现互斥，实现睡眠，需要3个信号量配合；

    信号量的存储区域：信号量可以存储在系统内核中，通过系统调用访问；现代操作系统提供了进程间共享空间，信号量可以放在这里；在最坏的情况下可以共享文件；

    互斥量：也就是借助XCHG的简单实现，能够实现对某个变量的互斥访问；互斥量在用户空间线程包中非常有用，实现简单非常高效；由于线程是一个人开发的，所以在互斥量保护的临界区中，使用Pthread_yeild可以方便跳转到其他线程；用互斥量解决消费者生产者问题，如果要使用睡眠而不只是忙等待，需要借助条件变量，也就是在互斥量保护的临界区中，用条件变量实现原子操作（睡眠和解锁互斥量），但是要注意，在一对多和多对多的情况下，条件变量睡眠解锁互斥量后该线程被阻塞，唤醒时必须退回到临界区之外，重新申请锁定互斥量，不然就会发生竞争条件；

    互斥量的存储区域：存在进程的地址空间中，供多个线程共享，是很方便高效的；

    管程：需要语言支持，即语言自动识别管程，自动加入互斥操作，面临的问题与互斥量是一样的，缺点是很多语言包括c语言，压根就不支持；

    ps：信号量比较低级，一方面麻烦，程序员极容易发生错误，另一方面无法支持分布式系统不共享内存的情况；管程也类似；

    消息传递：消息传递不是采用上面的共享内存的方式，比如两个进程间传递消息，采用两个缓冲区或者说两个信箱，这样并没有互斥操作，也就不会产生竞争条件，也没有死锁发生，并且支持分布式系统，而且支持阻塞不用忙等待；阻塞后由os的调度程序，决定是否满足条件唤醒；要解决的问题就是如何提高消息传递的效率，在同一台PC上的时候，效率相比信号量必然是低一些的；

    屏障：进程组的同步机制，当进程组中所有进程都就绪准备进入下一个阶段的时候，才允许进入下一个阶段；

【进程调度】：没有绝对的好与坏，与系统的环境和需求有关系；

    批处理系统调度：常关心的指标：吞吐量、周转时间、CPU利用率；一些非常简单拙劣的方法：

        1、非抢占式的先来先服务；

        2、最短时间优先；（适用条件是预知进程的运行时间）

        3、最短剩余时间优先（2的抢占式版本）；（适用条件是预知进程的运行时间）

    交互式系统调度：常关心的指标：响应时间、均衡性；ps：实际中是下面几种调度的结合，我觉得

        1、轮转调度：即划分时间片，根据时间片来调度，是最广泛，最简单公平的调度算法；一般时间片设置在20~50ms比较合适；

        2、优先级调度：优先级高的先执行；可以结合优先级调度和轮转调度，同一优先级的进程使用轮转调度，做好低优先级的进程的调整工作防止饥饿现象；

        3、最短进程调度：；也就是前面的最短时间优先，进程的时间根据历史信息估计，使用学习率alpha更新；

        4、保证调度：保证每个进程或者每个用户常用cpu的时间比率；

        5、彩票调度：给进程发彩票，选择中彩票的进程运行，我感觉与优先级调度是一个道理，但是灵活与跳跃性更好；

        6、公平分享调度：不只是关注进程本身，关注进程的用户，保证每个用户使用cpu的占比，我感觉与保证调度中保证用户相似；

    实时系统调度：常关心的指标：或多或少必须满足截止时间；截止时间：硬实时和软实时，调度程序的任务就是满足截止时间的要求调度进程；

    策略和机制：将调度机制和调度策略分离，即将调度机制写成算法，算法中的参数由进程输入，这样父进程可以很好地控制子进程的调度策略；

【线程调度】：

    用户级线程调度：内核看不到，仍然与前面调度进程的时候一样；在某个进程中运行线程调度程序，选择某个线程，在该线程运行完之前，该进程中的其他线程无法运行；优点是线程调度的切换速度快，硬件支持下ns级别；缺点是缺乏一个时间中断，将运行时间过长的线程切换；还有一个优点就是用户空间线程的调度可以程序员定制化；

    内核级线程调度：内核级线程在内核中有一个线程表，内核像对待进程一样调度；优点：能够时间中断，不会某个线程运行时间过长；缺点：两个不同进程的线程之间切换的时候，与进程的切换开销相似，比较慢我估计在ms级别；but，内核调度的时候可以优先选择同一个进程下的不同线程，这样线程切换的开销就比进程切换的开销小不少，因为不需要修改内存映像和高速缓存，只需要保存线程运行的状态信息；所以这是一种好的折中；

【进程切换为什么花时间】：进程切换，首先要存储当前进程的状态信息（PC、PSW、寄存器）到内核中的进程表项，在许多系统中内存映像（例如页表内的内存访问位）也必须要保存，然后需要运行调度程序，选好下一个进程后需要拷贝该进程的内存映像到MMU，然后拷贝其状态信息，然后开始运行；同时切换进程会使得高速缓存失效，所以会发生两次高速缓存到内存的读写操作，一次是原进程离开，高速缓存写入内存，一次是新进程加载，内存进入高速缓存；因此进程切换非常花时间；比如这个时间开销是1ms；

【解答一些疑问】：

    1、函数的堆数据是放在进程的地址空间中的么？答：函数的堆数据确实是在进程的地址空间中，对于多线程的进程，每一个线程都有自己的堆栈空间，保存函数过程信息；

    2、进程的地址空间中存放了哪些信息？答：全局变量、打开的文件、即将发生的报警、信号与信号处理程序、账户信息等；再就是包含了线程存储的 堆栈，备份信息（pc，psw，寄存器）；

    3、一些其他问题：哲学家就餐问题，对IO访问互斥访问竞争建模；读者写者问题，对数据库的访问建模；

【unix系统中进程的一些知识】：

    Unix把进程分成两大类：

        一类是系统进程，另一类是用户进程。系统进程执行操作系统程序，提供系统功能，工作于核心态。用户进程执行用户程序，在操作系统的管理和控制下执行，工作于用户态。进程在不同的状态下执行时拥有不同的权力。

        在Unix系统中进程由三部分组成，分别是进程控制块、正文段和数据段。Unix系统中把进程控制块分成proc结构和user结构两部分，proc存放的是系统经常要查询和修改的信息，需要快速访问，因此常将其装入内存 

【进程线程间通信的方式】：



原创：香蕉麦乐迪