进程与线程

进程与线程

1.1 进程

运行中的程序称之为进程

1.1.1 进程的三种基本状态

• 运行（Running）：进程正在占用CPU
• 就绪（Ready）：进程已分配到除CPU以外的所有必要的资源，等待其它进程执行完
• 阻塞（Blocked）：该进程正在等待某一个时间执行完（如等待输入或者输出等等）而暂时停止运行，这时候即使给到CPU控制权也无法运行

其它的几种状态：

• 创建（New）：进程正在被创建
• 就绪挂起：进程在外存（硬盘）并等待某个事件的出现
• 阻塞挂起：进程在外存（硬盘），但只要进入内存，即刻立刻运行
• 结束（Exit）：系统正在结束

备注：如果有大量处于阻塞状态的进程，进程可能会占用着物理内存空间，显然不是我们所希望的，毕竟物理内存空间是有限的，被阻塞状态的进程占用着物理内存就一种浪费物理内存的行为。所以，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到硬盘，等需要再次运行的时候，再从硬盘换入到物理内存。进程挂起的原因还包括如下两个：通过 sleep 让进程间歇性挂起，其工作原理是设置一个定时器，到期后唤醒进程；用户希望挂起一个程序的执行，比如在 Linux 中用 Ctrl+Z 挂起进程。

进程状态变迁如下图：

1.1.2 进程的控制结构

PCB（process control block，PCB）是进程存在的唯一标识，一个进程的产生必然会产生一个与之对应的PCB，进程结束，对应的PCB也会消失。以下为PCB所包含的信息：

• 进程描述信息
  • 进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符；
  • 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；
• 进程控制信息和管理信息（进程的状态、优先级等等）
  • 进程当前状态，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；
  • 进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；
• 资源分配清单
  • 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息，所打开文件的列表和所使用的 I/O 设备信息。
• CPU相关信息
  • CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时，CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB 中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。

1.1.3 进程的控制

• 创建进程

  操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源，当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源应当还给父进程。同时，终止父进程时同时也会终止其所有的子进程。

  • 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的 PCB，PCB 是有限的，若申请失败则创建失败；
  • 为进程分配资源，此处如果资源不足，进程就会进入等待状态，以等待资源；
  • 初始化 PCB；
  • 如果进程的调度队列能够接纳新进程，那就将进程插入到就绪队列，等待被调度运行

• 终止进程

  进程可以有 3 种终止方式：正常结束、异常结束以及外界干预（信号 kill 掉）。

  • 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

• 阻塞进程

  当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一个进程唤醒。

  • 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 插入的阻塞队列中去

• 唤醒进程

  进程由「运行」转变为「阻塞」状态是由于进程必须等待某一事件的完成，所以处于阻塞状态的进程是绝对不可能叫醒自己的。如果某进程正在等待 I/O 事件，需由别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它。

  • 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

1.1.4 进程的上下文切换

一个进程切换到另外一个进程运行就叫上下文切换

• 保存的上下文
  • 内核态资源：内核堆栈、CPU寄存器等
  • 用户态资源：虚拟内存、栈、全局变量等
• 切换发生的场景
  • 时间片耗尽
  • 资源不足，等待可用资源
  • 调用sleep等方法，被挂起时
  • 硬件中断

1.2 线程

线程就是进程中的一条执行流程

1.2.1 线程的实现

• 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；

1.2.2 线程与进程的比较

• 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；

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；

1.3 调度

1.3.1 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。

1.3.2 调度原则

原则一：如果运行的程序，发生了 I/O 事件的请求，那 CPU 使用率必然会很低，因为此时进程在阻塞等待硬盘的数据返回。这样的过程，势必会造成 CPU 突然的空闲。所以，为了提高 CPU 利用率，在这种发送 I/O 事件致使 CPU 空闲的情况下，调度程序需要从就绪队列中选择一个进程来运行。

原则二：有的程序执行某个任务花费的时间会比较长，如果这个程序一直占用着 CPU，会造成系统吞吐量（CPU 在单位时间内完成的进程数量）的降低。所以，要提高系统的吞吐率，调度程序要权衡长任务和短任务进程的运行完成数量。

原则三：从进程开始到结束的过程中，实际上是包含两个时间，分别是进程运行时间和进程等待时间，这两个时间总和就称为周转时间。进程的周转时间越小越好，如果进程的等待时间很长而运行时间很短，那周转时间就很长，这不是我们所期望的，调度程序应该避免这种情况发生。

原则四：处于就绪队列的进程，也不能等太久，当然希望这个等待的时间越短越好，这样可以使得进程更快的在 CPU 中执行。所以，就绪队列中进程的等待时间也是调度程序所需要考虑的原则。

原则五：对于鼠标、键盘这种交互式比较强的应用，我们当然希望它的响应时间越快越好，否则就会影响用户体验了。所以，对于交互式比较强的应用，响应时间也是调度程序需要考虑的原则。

针对上面的五种调度原则，总结成如下：

• 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和阻塞时间总和，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

1.3.3 调度算法

调度算法分类

• 非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直到被阻塞，或者直到该进程退出，才会调用另外一个进程，也就是说不会理时钟中断这个事情。
• 抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程只运行某段时间，如果在该时段结束时，该进程仍然在运行时，则会把它挂起，接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理，需要在时间间隔的末端发生时钟中断，以便把 CPU 控制返回给调度程序进行调度，也就是常说的时间片机制。

常用算法

• 先来先服务优先调度算法
• 最短作业优先调度算法
• 高响应比优先调度算法
• 时间片轮转调度算法
• 最高优先级调度算法
• 多级反馈队列调度算法