20170305听课笔记（漫谈进程和线程）

操作系统的关键抽象

把 I/O 设备抽象成文件，这样用户就不用直接对硬盘做操作，因为硬盘本身作为一个物理设备，对一般用户来说比较复杂。
物理的主存+文件的概念，就形成了虚拟的存储器。
把 CPU 抽象成指令集， 加上虚拟存储器就形成了进程。
进程加上操作系统就形成了虚拟机。

比喻：厨师做蛋糕

做蛋糕的食谱，第一步第二步第三步，告诉你怎么做，就是程序。做蛋糕的原料，就是输入数据。厨师自己就是 CPU ，厨师自己阅读食谱，用原料做蛋糕的一系列动作的总和，就是进程。中途厨师的儿子跑进来了，说是被蜜蜂蛰了，厨师记录下他做到哪一步了，即为保存进程当前状态。拿出急救手册，按其中的指示进行处理，这就是开始另一个进程。

切换进程

进程一正在执行——进程一的时间片到期——操作系统保存进程一的上下文——操作系统设置进程二的上下文——开始（继续）执行进程二。

如果按中间的执行顺序执行（顺序执行）， counter 的最终数值是3，如果按右边的执行顺序执行（乱序执行）， counter 的最终数值是2。

问题的核心在于 CPU 层面的调度是无法人为控制的，而且在机器层面，很多代码都不是原子操作（不可被中断的）。
临界区：当你访问共享资源的时候，我们把这个区域认为是临界区。

解决临界区问题（1）：暴力手段，关闭中断
即在操作临界区时不让别的进程访问临界区，但是不能把中断操作开放给应用程序，只能由操作系统自行决定。

解决临界区问题（2）：用硬件指令来实现锁。
想要访问临界区，需要访问 TestAndSet() 方法，只有 lock 为 false 的时候，才可以访问临界区。

解决临界区问题（4）：信号量
进入临界区之前，调用 wait() 操作，进入临界区，这时如果再有别的进程需要进入临界区，仍需要调用 wait() 操作，此时 S <= 0 ，只能等待，上一个进程离开临界区，调用 signal() 操作， S++ ， S = 0 ，另一个进程就可以作业了。

wait() 时先把 s- - ，如果此时 s 指向的 value < 0 ，把当前进程加入到等待列表当中去，当前进程 block() （阻塞），进入等待状态，如果另外一个进程调用了 signal() ，会把 value++ ，判断 value <= 0 ，如果是说明进程在等待，就从里面取出一个进程，把它唤醒。

解决临界区问题（6）：用信号量解决打印问题
生产者：mutex 表示互斥， empty 用来表示空， full 用来表示满，wait(5) ，empty- - 变为4，wait(1) ，mutex- - 变为0，此时别的线程就不能操作临界区了。消费者同理。

问题：两个线程之间怎么共享变量？

多线程的进程：每一个线程都需要维护一套自己的寄存器和堆栈，共享代码、数据和文件。
所以每个线程都需要把自己使用的寄存器的值放入到内存当中。轮到线程运行，就把值从内存放到 CPU 中。

注意：所谓的进程切换本质上是线程的切换，因为 CPU 实际上是被线程占据的。

以文字处理器为例：要实现读取用户键盘输入+自动定时的保存文档，如果使用单线程，读取用户输入时就无法保存，保存文档时就无法读取用户输入。如果使用多进程来实现需求，共享数据就变成了一个巨大的问题，这个开销实在太大了。

线程的实现
第一种方式：完全在用户空间来实现。
内核空间可以理解成操作系统的内核空间，由操作系统来管理进程的信息、等待队列、就绪队列、运行队列等。
优点：1.保护操作系统不被恶意的应用程序所破坏，防止应用程序直接操作硬件。
2.每次切换线程完全不需要内核的介入，线程的切换会非常快。
缺点：1.自主管理线程非常麻烦。
2.阻塞问题：从操作系统来看，它只看到了一个进程， 假设进程中的某一个线程进行读写操作，进入了阻塞状态，操作系统会认为整个进程进入了阻塞，操作系统会把整个进程放入到阻塞队列中去，那就意味着这个进程不能占据 CPU 了，即使这个进程的其他线程仍然可以运行。

第二种方式：在内核中实现线程 。
一个用户线程对应一个内核线程，内核去完成线程的创建和调度（操作系统进程调度）。这样每一个执行序列就需要两个栈，一个是用户态的栈，用户栈就处理不同的函数调用（代码中的函数），如果遇到了系统调用，比如读写文件、中断处理等，需要进入到内核，内核里面对每个线程也要维护一个栈。
优点：进程不会因为某一个线程的阻塞，导致同一个进程的其他线程被阻塞掉。
缺点： 开销过大。
内核空间与用户空间的隔离：可以简单理解为操作系统对外提供的 API 。

第三种方式：一种折中的方式，即让一个进程中的多个线程映射到一个内核线程中来，这样内核中创建的线程相对来说就会比较少。这样阻塞的几率也相对比较少。如果线程1阻塞，线程2也会阻塞，但线程3仍然可以运行。这是一种平衡折中。JVM 采用的就是这么一种处理方式。
为什么在 Java 中只提多线程编程，不提多进程编程？因为 JVM 本身就是一个进程，这个进程当中会有很多线程。然后这些线程会映射到操作系统当中的内核线程当中去。操作系统把内核线程调度到各个 CPU 中的核中去执行。

操作系统的书有两本，一本叫《现代操作系统》，另外一个叫《操作系统概念》（戏称恐龙书），但这两本书很难读，因为理论性的东西太多，还是乖乖的看《深入理解计算机》吧。