【操作系统】进程管理
进程管理
进程状态 运行态，阻塞态，就绪态。
在就绪态和阻塞态中由于存在进程未被载入到内存当中，提出一个新的状态挂起态。
另外，挂起状态可以分为两种：
阻塞挂起状态：进程在外存（硬盘）并等待某个事件的出现；
就绪挂起状态：进程在外存（硬盘），但只要进入内存，即刻立刻运行；
子进程共享了父进程的虚拟内存空间，这样子进程就变成了我们熟悉的线程，是否共享地址空间几乎是进程和线程之间的本质区别。Linux 内核并不区别对待它们，线程对于内核来说仅仅是一个共享特定资源的进程而已。
通信方式
管道：半双工，阻塞式，效率低，不适合进程间频繁地交换数据。
- 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。
不管是匿名管道还是命名管道，进程写入的数据都是缓存在内核中，另一个进程读取数据时候自然也是从内核中获取，同时通信数据都遵循先进先出原则，不支持 lseek 之类的文件定位操作。
消息队列
消息队列是保存在内核中的消息链表，消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。
缺点：一是通信不及时，二是附件也有大小限制
消息队列不适合比较大数据的传输，因为在内核中每个消息体都有一个最大长度的限制。在 Linux 内核中，会有两个宏定义 MSGMAX 和 MSGMNB，它们以字节为单位，分别定义了一条消息的最大长度和一个队列的最大长度。
消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程。
共享内存
共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中
信号量
pv 操作
信号
信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。
1.执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，上面列表中的 SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。
2.捕捉信号。我们可以为信号定义一个信号处理函数。当信号发生时，我们就执行相应的信号处理函数。
3.忽略信号。当我们不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程。
进程的上下文切换
进程的切换只能发生在内核态。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。
场景：
调度，资源不足，主动休眠，优先级中断，硬件中断
线程
线程的优点：
- 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；
线程的缺点： - 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（C/C++ 语言）
线程和进程区别
进程：
- 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：
- 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；
对于，线程相比进程能减少开销，体现在：
- 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；
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
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。
用户线程的优点：
- 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
用户线程的缺点：
- 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；
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。
内核线程的优点：
- 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；
内核线程的缺点：
- 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；
进程创建线程数量
- 进程的虚拟内存空间上限，因为创建一个线程，操作系统需要为其分配一个栈空间，如果线程数量越多，所需的栈空间就要越大，那么虚拟内存就会占用的越多。
- 系统参数限制，虽然 Linux 并没有内核参数来控制单个进程创建的最大线程个数，但是有系统级别的参数来控制整个系统的最大线程个数。
线程崩溃线程会崩溃吗
进程中，各个线程的地址空间是共享的，那么某个线程对地址的非法访问就会导致内存的不确定性，进而可能会影响到其他线程，操作系统会认为这很可能导致一系列严重的后果，于是干脆让整个进程崩溃。
线程关闭使用信号控制
操作系统根据情况执行相应的信号处理程序（函数），一般执行完信号处理程序逻辑后会让进程退出。如果进程没有注册自己的信号处理函数，那么操作系统会执行默认的信号处理程序（一般最后会让进程退出）。但如果注册了，则会执行自己的信号处理函数，这样的话就给了进程一个垂死挣扎的机会，它收到 kill 信号后，可以调用 exit() 来退出，但也可以使用 sigsetjmp，siglongjmp 这两个函数来恢复进程的执行
死锁
互斥条件；
持有并等待条件；
不可剥夺条件；
环路等待条件
那么避免死锁问题就只需要破环其中一个条件就可以，最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法，来破环环路等待条件。
锁
互斥锁与自旋锁
互斥锁
互斥锁加锁失败后，线程会释放 CPU 给其他线程，线程阻塞。互斥锁加锁失败而阻塞的现象，是由操作系统内核实现的。当加锁失败时，内核会将线程置为「睡眠」状态，等到锁被释放后，内核会在合适的时机唤醒线程，当这个线程成功获取到锁后，于是就可以继续执行
互斥锁加锁失败时，会从用户态陷入到内核态，让内核帮我们切换线程，虽然简化了使用锁的难度，但是存在一定的性能开销成本。因此如果被锁住的代码执行时间很短，就不应该用互斥锁，而应该选用自旋锁，否则使用互斥锁。
自旋锁
自旋锁加锁失败后，线程会忙等待（不断循环），直到它拿到锁。自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。
一般加锁的过程，包含两个步骤：
第一步，查看锁的状态，如果锁是空闲的，则执行第二步；
第二步，将锁设置为当前线程持有；
CAS 函数就把这两个步骤合并成一条硬件级指令，形成原子指令
读写锁
读写锁适用于能明确区分读操作和写操作的场景。
读写锁的工作原理是：
- 当「写锁」没有被线程持有时，多个线程能够并发地持有读锁，这大大提高了共享资源的访问效率，因为「读锁」是用于读取共享资源的场景，所以多个线程同时持有读锁也不会破坏共享资源的数据。
- 一旦「写锁」被线程持有后，读线程的获取读锁的操作会被阻塞，而且其他写线程的获取写锁的操作也会被阻塞。
公平读写锁比较简单的一种方式是：用队列把获取锁的线程排队，不管是写线程还是读线程都按照先进先出的原则加锁即可，这样读线程仍然可以并发，也不会出现「饥饿」的现象
乐观锁与悲观锁
悲观锁做事比较悲观，它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高，于是很容易出现冲突，所以访问共享资源前，先要上锁。
乐观锁做事比较乐观，它假定冲突的概率很低，它的工作方式是：先修改完共享资源，再验证这段时间内有没有发生冲突，如果没有其他线程在修改资源，那么操作完成，如果发现有其他线程已经修改过这个资源，就放弃本次操作。观锁全程并没有加锁，所以它也叫无锁编程。
参考资料：小林coding