操作系统--进程线程

并行并发

并行：同一时间点多个进程在运行
并发：多个进程快速切换，但同一时间只有一个进程在运行

参考链接：https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_base.html#%E8%B0%83%E5%BA%A6%E7%AE%97%E6%B3%95

进程

进程：运行中的程序
进程三种状态：运行转台、阻塞状态、就绪状态

还有另外两个状态：创建（进程正在被创建）、结束（进程正在消失）
状态变迁：
NULL -> 创建状态：一个新进程被创建时的第一个状态；
创建状态 -> 就绪状态：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，这个过程是很快的；
就绪态 -> 运行状态：处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后，就分配给 CPU 正式运行该进程；
运行状态 -> 结束状态：当进程已经运行完成或出错时，会被操作系统作结束状态处理；
运行状态 -> 就绪状态：处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给它的运行时间片用完，操作系统会把该进程变为就绪态，接着从就绪态选中另外一个进程运行；
运行状态 -> 阻塞状态：当进程请求某个事件且必须等待时，例如请求 I/O 事件；
阻塞状态 -> 就绪状态：当进程要等待的事件完成时，它从阻塞状态变到就绪状态；

PCB

PCB叫进程控制块（Process Contr Block），用于描述进程，是一个数据结构，是进程存在的唯一标识。PCB中包含很多信息，包括进程标识符、用户标识符、进程状态、进程优先级、内存空间或虚拟地址空间的信息、CPU中各个寄存器的值等等（详情看：https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_base.html#%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E7%9A%84%E6%8E%A7%E5%88%B6%E7%BB%93%E6%9E%84）

PCB通过链表的方式进行组织，把相同状态的进程链在一起，组成各种队列。将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；

进程控制

进程的创建、终止、阻塞、唤醒的过程，就是进程的控制。
进程创建：
申请一个空白的 PCB，并向 PCB 中填写一些控制和管理进程的信息，比如进程的唯一标识等；
为该进程分配运行时所必需的资源，比如内存资源；
将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；
进程终止
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；

进程阻塞
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；

进程唤醒
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；

进程上下文切换

一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。

CPU上下文切换：把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

上面说到所谓的「任务」，主要包含进程、线程和中断。所以，可以根据任务的不同，把 CPU 上下文切换分成：进程上下文切换、线程上下文切换和中断上下文切换。

进程上下文切换是在切换什么

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。
所以，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。

进程上下文切换场景

为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；
当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；
发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

线程

线程是进程当中的一条执行流程。

线程优点：
一个进程中可以同时存在多个线程；
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；（在同一个进程中）
线程缺点
当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（这里是针对 C/C++ 语言，Java语言中的线程奔溃不会造成进程崩溃）。

线程进程比较

进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；

进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；

线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；

线程能减少并发执行的时间和空间开销；

如何减少开销？
线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；
线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；
同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；
由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；

线程上下文切换

切换时切换什么？
看线程是不是属于同一进程：
当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

线程实现

线程有三种实现方式：

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；
内核线程（Kernel Thread）：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程；
轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中来支持用户线程；

用户线程和内核线程有多种对应关系：
多对一：多个用户线程对一个内核
一对一：一个用户线程对一个内核
多对多：多个用户线程对多个内核线程

用户线程

用户线程是基于用户态的线程管理库来实现的，那么线程控制块（Thread Control Block, TCB） 也是在库里面来实现的，对于操作系统而言是看不到这个 TCB 的，它只能看到整个进程的 PCB。

所以，用户线程的整个线程管理和调度，操作系统是不直接参与的，而是由用户级线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。

优点：
每个进程都需要有它私有的线程控制块（TCB）列表，用来跟踪记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB 由用户级线程库函数来维护，可用于不支持线程技术的操作系统；
用户线程的切换也是由线程库函数来完成的，无需用户态与内核态的切换，所以速度特别快；
缺点
由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程发起了系统调用而阻塞，那进程所包含的用户线程都不能执行了。
当一个线程开始运行后，除非它主动地交出 CPU 的使用权，否则它所在的进程当中的其他线程无法运行，因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程，它没有这个特权，只有操作系统才有，但是用户线程不是由操作系统管理的。
由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会比较慢；

用户级线程的模型（WINDOWS），也就类似前面提到的多对一的关系，即多个用户线程对应同一个内核线程
windows是这种线程模型，创建出多个用户线程只有一个内核线程，多个用户线程对应一个内核线程

内核线程

内核线程是由操作系统管理的，线程对应的 TCB 自然是放在操作系统里的，这样线程的创建、终止和管理都是由操作系统负责。
优点
在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行；
分配给线程，多线程的进程获得更多的 CPU 运行时间；
缺点
在支持内核线程的操作系统中，由内核来维护进程和线程的上下文信息，如 PCB 和 TCB；
线程的创建、终止和切换都是通过系统调用的方式来进行，因此对于系统来说，系统开销比较大；

内核线程的模型（LINUX），也就类似前面提到的一对一的关系，即一个用户线程对应一个内核线程
linux使用这种模型 创建一个用户线程就有一个内核线程

轻量级线程

轻量级进程（Light-weight process，LWP）是内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个 LWP，每个 LWP 是跟内核线程一对一映射的，也就是 LWP 都是由一个内核线程支持。
LWP与普通进程的区别也在于它只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息。

在 LWP 之上也是可以使用用户线程的，那么 LWP 与用户线程的对应关系就有三种：

1 : 1，即一个 LWP 对应 一个用户线程；
N : 1，即一个 LWP 对应多个用户线程；
M : N，即多个 LWP 对应多个用户线程；

1：1模式
上图进程4
优点：实现并行，当一个 LWP 阻塞，不会影响其他 LWP；
缺点：每一个用户线程，就产生一个内核线程，创建线程的开销较大。

N：1模式
上图进程2
优点：用户线程要开几个都没问题，且上下文切换发生用户空间，切换的效率较高；
缺点：一个用户线程如果阻塞了，则整个进程都将会阻塞，另外在多核 CPU 中，是没办法充分利用 CPU 的。

M : N 模式
上图进程3
优点：综合了前两种优点，大部分的线程上下文发生在用户空间，且多个线程又可以充分利用多核 CPU 的资源。

组合模式
如上图的进程 5，此进程结合 1:1 模型和 M:N 模型。开发人员可以针对不同的应用特点调节内核线程的数目来达到物理并行性和逻辑并行性的最佳方案。

调度时机

在进程的生命周期中，当进程从一个运行状态到另外一状态变化的时候，其实会触发一次调度。

根据如何处理时钟中断，可以分为两类：
非抢占式调度算法：一个进程一直运行，直到被阻塞或者退出，不理会时钟中断 才会调用另一个进程
抢占式调度算法：一个进程运行特定的时钟周期，如果时间到后仍没运行完毕，就先把他挂起，然后调度程序从就绪队列选择另一个进程来运行。也就是时间片机制

调度原则

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+阻塞时间+等待时间的总和，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（单核CPU）

1.先来先服务（FCFS）

每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。

2.最短作业优先（SJF，Shortest Job First）

优先选择运行时间最短的进程来运行

会造成长作业饥饿

高响应比优先（HRRN，Highest Response Ratio Next）

响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行

时间片轮转（RR，Round Robin）

每个进程被分配一个时间段，称为时间片（Quantum），即允许该进程在该时间段中运行。

最高优先级优先（HPF，Highest Priority First）

从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行，这称为最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法。

进程的优先级可以分为，静态优先级和动态优先级：

静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。
但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列

「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；

工作流程：
设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；

参考链接：https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_base.html#%E8%B0%83%E5%BA%A6%E7%AE%97%E6%B3%95