漫談進程和線程

爲了幫助你們理解什麼是進程，以廚師作蛋糕爲例。廚師作蛋糕，首先須要廚師（CPU），其次，須要食譜（程序）和原料(輸入數據)，而用原料作蛋糕的一些列動做的總和就是進程。某天廚師正在後廚作着蛋糕，突來聽到兒子哭着跑進後廚，說本身被蜜蜂蟄了 ，廚師放下手中工具，並記錄下當前作到哪一步了（保存上下文信息） ，而後拿出急救手冊，按其中的說明爲兒子進行處理（開始另一個進程）。

進程概覽

咱們知道文件是對I/O設備的抽象，虛擬存儲器是對文件和主存的抽象，指令集是對CPU的抽象，進程是對指令集和虛擬存儲器的抽象。以下圖所示 。

 

進程在內存的邏輯佈局

從上可知，進程包括指令集和虛擬存儲器。咱們着重介紹進程在虛擬存儲器中的邏輯佈局，它包括用戶棧、堆、程序數據和程序代碼，其中，用戶棧從上往下生長，堆從下往上生長，程序數據和程序代碼從可執行文件加載而來，將程序代碼改寫成彙編指令就是相似於movl、imul、addl等指令。以下圖所示

 

此時，CPU運行到地址爲304的指令， 假設CPU時間片恰好用完，就須要進行進程切換，在進行進程切換以前，須要保護現場，即保存寄存器信息、PC、打開的文件， 代碼段地址、數據地址、堆棧信息等，這些信息稱爲進程的上下文。當操做系統切換到進程時，首先將進程2的上下文信息加載到操做系統中，找到PC，而後接着執行就能夠了。

進程控制塊（PCB）

進程的上下文信息是以某個數據結構保存在內存中的，而這種數據結構就是PCB。在Linux操做系統中PCB對應的數據結構就是task_struct，它保存着進程的重要信息。

struct task_struct{ pid_t pid://進程號 long state;//狀態 cputime_t utime,stime;//cpu在用戶態和 核心態下執行的時間 struct files_struct *files;//打開的文件 struct mm_struct *mm;//進程使用的內存 ... } 

進程的狀態

• 進程的狀態包括新建態、就緒態、等待態、運行態、退出態
• 流程：首先進程被新建，而後進入到就緒狀態，此時，進程並無進入到運行狀態，而是等待CPU調度，若是被CPU調度則進入到運行態，而當時間片用完時，進程從運行態返回到就緒態，而當等待I/O操做時，則由運行態進入阻塞態。須要注意的是：只有運行態的進程擁有CPU，而處於就緒態和等待態的進程只是處於內存，等待CPU調度，所以CPU調度是一個很關鍵的流程。
  
  
  

CPU調度

像上文描述的那樣，CPU調度就是到底哪一個進程佔有CPU，它能夠分爲非搶佔式和搶佔式。非搶佔式是指調度程序一旦把CPU分配給某一進程後便讓它一直運行下去，直到進程完成或發生某件事件而不能運行時，纔將CPU分配給其餘進程。它適合批處理系統，簡單、系統開銷小。搶佔式是指當一個進程正在執行時，系統能夠基於某種策略剝奪CPU給其餘進程。剝奪的原則有優先權原則、端進程優先原則、時間片原則，它適用於交互式系統。

• 評價標準

1. 公平：合理的分配CPU
2. 響應時間：從用戶輸入到產生反映的時間
3. 吞吐量：單位時間完成的任務數量
4. 可是這些目標是矛盾的，例如：咱們但願前端進程可以快速獲得響應，這樣一來後端進程就不能獲得快速響應。

• 批處理系統中的調度

1. 先來先服務（公平、FIFO隊列、非搶佔式）
2. 最短做業優先（系統的平均等待時間最短，可是須要預先知道每一個任務的運行時間）

• 交互式調度策略

1. 輪轉，每一個進程分配一個固定的時間片，可是定義時間片長度是個問題，假設進程切換一次的開銷爲1ms，若是時間片過短，那麼不少時間都浪費在切換上，例如時間片爲4ms，那麼20%的時間浪費在切換上；若是時間片太長，浪費時間就減小了，可是最後一個常常等待的時間就很是久，譬如，時間片100ms，浪費的時間1%，假設有50個進程，最後一個須要等待5s。
2. 靜態優先級，給每一個進程賦予優先級，優先級高的先執行，優先級低的後執行，可是該方法存在必定問題：低優先級的進程存在被餓死的狀況，例如新來的進程的優先級都比原來的高，怎麼辦呢？咱們根據等待時間的增長而調整優先級大小---多級反饋隊列
3. 動態優先級---多級反饋隊列，即進程的優先級會隨着等待時間的增加而增加。

進程間同步

咱們知道，打印機有一個緩存，叫作打印隊列，以下圖所示，打印隊列有5個空格，就是說這個打印隊列最多能夠容納5個待打印文件，打印機進程就是消費者，而其餘待打印進程是生產者，生產者不斷地向隊列中放數據，例如：A.java、B.doc等。

• 臨界區：多個進程須要互斥的訪問共享資源，共享資源能夠是變量、表和文件等，例如打印隊列就是共享資源。

• 當生產者將隊列放滿時，須要等待消費者；若是消費者把全部文件都打印完了，則須要等待生產者，這就是進程間的同步問題。

• 進程間同步的本質

1. 進程調度是不可控的
2. 在機器層面，count++，count--並非原子操做，即一條代碼，對應彙編層面多條指令。二者缺一不可，若是進程調度是可控的，那麼，即便count++對應多條指令，當執行完第一條指令時，發生CPU切換，進程調度控制接下來的進程仍是原來的進程控制CPU。

• 解決方案

1. 關閉中斷
   缺點：把中斷操做（CPU收到時鐘中斷之後，會檢查當前進程的時間片是否用完，用完則切換）開放給應用程序，這是極其危險的事情，例如：當某個程序關閉中斷以後，執行完畢以後，忘記打開中斷，致使整個系統都終止了。

2. 用硬件指令來實現鎖

boolean TestAndSet(boolean *lock){ boolean rv = *lock; *lock = TRUE; return rv; } // 使用TestAndSet boolean lock = false; do{ while(TestAndSet(&lock)){ ...//什麼也不作 } 臨界區 lock = false; 剩餘區 }while(true); 

• 注意：操做系統會鎖住系統總線，防止其餘CPU訪問內存變量
• 注意TestAndSet函數中的三條指令是原子執行的

3. 信號量

• 信號量S是個整形變量，除了初始化外，有兩個操做，wait()、signal()。
• 爲了確保信號量操做，須要用一種原子的方式實現它，操做系統來實現原子性。

wait(S){ while(S<=0){ ...//啥也不作 } S--; } signal(S){ S++; } // semaphore mutext = 1; wait(mutex); 進入臨界區 signal(mutex); 剩餘區 

4. 不能忙等問題

用硬件指令實現鎖的方案和信號量方案都有忙等問題，即某個進程得到了CPU時間片，可是啥事幹不了，while(S < = 0){...}

• 新增進程隊列，當發現value<0，將當前隊列加入到阻塞隊列中，同時，阻塞進程，而不像以前的方法那樣無限等待下去

typedef struct{ int value; struct process *list; } semaphore; wait(semaphore *s){ s -> value--; if(s->value<0){ //把當前進程加入到s->list中 block(); } signal(semaphore *s){ s -> value++; if(s -> value <=0){ //從s->list取出一個進程p wakeup(p); } } 

線程

因爲進程之間是相互獨立的，因此進程間數據共享只能經過內核實現，開銷很麻煩，所以咱們提出了線程這個概念。線程之間的數據是共享的；一個進程能夠只有一個線程，也能夠有多個線程（一個進程至少有一個線程）；當一個進程有多個線程時，每一個線程都有一套獨立的寄存器和堆棧信息，而代碼、數據和文件是共享的，以下圖所示。

 

線程的實現

1. 徹底在用戶層實現（當用戶要執行硬件設備，必須從用戶空間到內核空間，這是一種保護措施，保護操做系統不被惡意程序所破壞），線程在應用層實現有一個優勢就是線程切換不用內核介入，線程切換會很是的快。也就是說線程的調度策略是本身實現的。可是這裏也有一個巨大的缺陷：因爲內核只知道進程而不知道線程，那麼進程1中的任何一個線程被阻塞，致使進程1中的其餘線程也被阻塞

2. 內核實現線程和用戶空間一一對應，能夠有效的解決方案一中的缺點，可是因爲在內核中實現用戶空間相同數量的線程數，開銷比較大

3. 用戶空間中多個線程映射到內核中的一個線程，這樣一來，內核中的線程就不用建立那麼多， 並且阻塞的機率也下降了，這是一種平衡和折中的方式。JVM就是實現了這種方式 。JVM自己就是一個進程，JVM能夠建立不少線程，而後對應內核中的線程，內核中的線程調度CPU。

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