操作系统--进程与线程

进程与线程

• 概念
  • 进程:
    对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；
  • 线程:
    进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，实现进程内部的并发；
    线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。
    每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

• 区别

1. 拥有资源
   进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。
2. 调度
   线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
3. 系统开销
   由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。
4. 通信方面
   线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 IPC。

• 进程间通信IPC

1. 管道
2. 消息队列
3. 信号量
4. 信号
5. 共享内存
6. 套接字SOCKET

• 线程间的同步方式(线程锁)

1. 信号量
   它只取自然数值，并且只支持两种操作：
   P(SV): 如果信号量SV大于0，将它减一；如果SV值为0，则挂起该线程。
   V(SV)： 如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒，然后将SV+1；否则直接将SV+1。
2. 互斥量
   互斥量又称互斥锁，主要用于线程互斥，不能保证按序访问，可以和条件锁一起实现同步。当进入临界区 时，需要获得互斥锁并且加锁；当离开临界区时，需要对互斥锁解锁，以唤醒其他等待该互斥锁的线程。
3. 条件变量
   条件变量，又称条件锁，用于在线程之间同步共享数据的值。条件变量提供一种线程间通信机制：当某个共享数据达到某个值时，唤醒等待这个共享数据的一个/多个线程。

• 线程间通信

1. 使用全局变量
   主要由于多个线程可能更改全局变量，因此全局变量最好声明为volatile
2. 使用消息实现通信
   在Windows程序设计中，每一个线程都可以拥有自己的消息队列（UI线程默认自带消息队列和消息循环，工作线程需要手动实现消息循环），因此可以采用消息进行线程间通信sendMessage,postMessage。
3. 使用事件CEvent类实现线程间通信
   Event对象有两种状态：有信号和无信号，线程可以监视处于有信号状态的事件，以便在适当的时候执行对事件的操作。

• 并发与并行

1. 并发：
   指宏观上看起来两个程序在同时运行，比如说在单核cpu上的多任务。但是从微观上看两个程序的指令是交织着运行的，你的指令之间穿插着我的指令，我的指令之间穿插着你的，在单个周期内只运行了一个指令。这种并发并不能提高计算机的性能，只能提高效率。
2. 并行：
   指严格物理意义上的同时运行，比如多核cpu，两个程序分别运行在两个核上，两者之间互不影响，单个周期内每个程序都运行了自己的指令，也就是运行了两条指令。这样说来并行的确提高了计算机的效率。所以现在的cpu都是往多核方面发展。

• 进程状态转换图

1. 5个基本状态
   创建状态：进程正在被创建。
   就绪状态：进程被加入到就绪队列中等待CPU调度运行。
   执行状态：进程正在被运行。
   等待阻塞状态：进程因为某种原因，比如等待I/O，等待设备，而暂时不能运行。
   终止状态：进程运行完毕。
2. 交换技术
   当多个进程竞争内存资源时，会造成内存资源紧张，并且，如果此时没有就绪进程，处理机会空闲，I/0速度比处理机速度慢得多，可能出现全部进程阻塞等待I/O。
   • 交换技术：换出一部分进程到外存，腾出内存空间。

在交换技术上，将内存暂时不能运行的进程，或者暂时不用的数据和程序，换出到外存，来腾出足够的内存空间，把已经具备运行条件的进程，或进程所需的数据和程序换入到内存。从而出现了进程的挂起状态：进程被交换到外存，进程状态就成为了挂起状态。

• 虚拟存储技术：每个进程只能装入一部分程序和数据。

• 进程调度

1. 批处理系统
   保证吞吐量和周转时间（从提交到终止的时间）

1. 先来先服务 first-come first-serverd（FCFS）
   非抢占式的调度算法，按照请求的顺序进行调度。
   有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。
2. 短作业优先 shortest job first（SJF）
   非抢占式的调度算法，按估计运行时间最短的顺序进行调度。
   长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。
3. 最短剩余时间优先 shortest remaining time next（SRTN）
   最短作业优先的抢占式版本，按剩余运行时间的顺序进行调度。 当一个新的作业到达时，其整个运行时间与当前进程的剩余时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程。否则新的进程等待。

2. 交互式系统
   快速地进行响应

1. 时间片轮转
   将所有就绪进程按 FCFS 的原则排成一个队列，每次调度时，把 CPU 时间分配给队首进程，该进程可以执行一个时间片。当时间片用完时，由计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾，同时继续把 CPU 时间分配给队首的进程。
2. 优先级调度
   为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。
   为了防止低优先级的进程永远等不到调度，可以随着时间的推移增加等待进程的优先级。
3. 多级反馈队列
   多级队列是为这种需要连续执行多个时间片的进程考虑，它设置了多个队列，每个队列时间片大小都不同，例如 1,2,4,8,..。进程在第一个队列没执行完，就会被移到下一个队列。这种方式下，之前的进程只需要交换 7 次。
   每个队列优先权也不同，最上面的优先权最高。因此只有上一个队列没有进程在排队，才能调度当前队列上的进程。

• 进程的内存空间

1. 进程的内存模型

   
   
   进程的内存模型
2. 堆和栈的区别
   • 大小限制：
     栈底的地址和栈的最大容量是系统预先规定好的（2M/1M，总之是一个编译时就确定的常数），如果申请的空间超过栈的剩余空间, stack overflow。因此，能从栈获得的空间较小。堆是用链表来存储的不连续内存区域，大小受限于计算机系统中有效的虚拟内存。由此可见，堆获得的空间比较灵活，也比较大。
   • 申请效率：
     栈由系统自动分配，速度较快。但程序员是无法控制的。堆是由new分配的内存，一般速度比较慢，而且容易产生内存碎片,不过用起来最方便.
   • 存储内容：
     栈存储返回地址，参数，局部变量。堆在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小，具体内容由程序员安排。
   • 数据访问：

存储在堆中的对象是全局可以被访问的，然而栈内存不能被其他线程所访问，且遵循LIFO原则。

• 生命周期：
  栈内存的生命周期很短，而堆内存的生命周期从程序的运行开始到运行结束。

• 进程关系
  进程通常不是凭空独立的出现的，在类Unix系统中，所有的其他进程都是从 进程0 fork 出来的，每个进程都会拥有多个子进程。

• fork()

1. fork给父进程返回子进程pid，给其拷贝出来的子进程返回0，
2. 这也是他的特点之一，一次调用，两次返回。
3. 实质是在子进程的栈中构造好数据后，子进程从栈中获取到的返回值。

由于现代操作系统的写时复制机制，即使我们知道每个进程都拥有自己独立的地址空间，其实子进程指向的物理内存是和父进程相同的（代码段，数据段，堆栈都指向父亲的物理空间），只有子进程修改了其中的某个值时（通常会先调度运行子进程），才会给子进程分配新的物理内存，并根据情况把新的值或原来的值复制给子进程的内存。

• 孤儿进程

1. 一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么这些子进程将成为孤儿进程。
2. 孤儿进程将被 init 进程（进程号为 1）所收养，并由 init 进程对它们完成状态收集工作。
3. 由于孤儿进程会被 init 进程收养，所以孤儿进程不会对系统造成危害。

• 僵尸进程

1. 一个子进程的进程描述符在子进程退出时不会释放，只有当父进程通过 wait() 或 waitpid() 获取了子进程信息后才会释放。如果子进程退出，而父进程并没有调用 wait() 或 waitpid()，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中，这种进程称之为僵尸进程。
2. 僵尸进程通过 ps 命令显示出来的状态为 Z（zombie）。
3. 系统所能使用的进程号是有限的，如果产生大量僵尸进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程。
4. 要消灭系统中大量的僵尸进程，只需要将其父进程杀死，此时僵尸进程就会变成孤儿进程，从而被 init 进程所收养，这样 init 进程就会释放所有的僵尸进程所占有的资源，从而结束僵尸进程。