进程

可执行文件的一次执行为一个进程。

并发

Why？

一个CPU处理器核需要运行多个程序任务，为了更加公平的运行这些任务，通过并发的方式组织这些任务的执行。

How？

• 并发：一段时间内多个程序同时执行
• 并行：多个核同一时刻分别运行着不同的任务

进程的状态

Why？

操作系统对进程进行调度，过程中进程对应了不同的状态

What？

五态模型

• 创建：进程正在被创建
• 运行：占用CPU
• 就绪：准备就绪，等待CPU执行
• 阻塞：等待某一事件（输入输出、IO网络）暂停运行，让出CPU
• 结束：运行完毕，正在删除进程

进程的状态变迁：

• 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：进程创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时；
• 就绪态 -> 运行状态：被操作系统的进程调度器选中，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：运行中时间片用完；
• 运行状态 -> 阻塞状态：进程请求某个事件且必须等待；
• 阻塞状态 -> 就绪状态：进程要等待的事件完成；

七态模型

增加挂起状态：内存数据移动到磁盘，被暂时挂了起来

• 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；

进程控制块 PCB

Why？

进程的数据、状态等需要用一个结构存储，就是PCB。

What？

PCB是进程的描述符，标识了进程的存在

包含的信息：

• 进程描述信息：

  • 进程标识符：进程的唯一标识符；
  • 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；

• 进程控制和管理信息：

  • 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，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。

PCB组装形式：

• 链表：链表把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列。
• 索引：将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表项指向相应的 PCB。

进程的上下文切换：

几十纳秒到几微秒之间

CPU由一个进程切换到另一个进程运行。CPU上下文由寄存器和程序计数器组成。

• CPU 寄存器：存储了运行程序的信息
• 程序计数器：存储了运行到哪一步了
• 进程上下文切换：PCB保存前一个任务的上下文，从PCB加载当前任务的上下文

线程

Why？

• 通常一个程序有很多部分组成，多进程开销太大、数据共享不方便

How？

• 线程：是进程当中的一条执行流程。

  • 一个进程可以开很多线程，线程间可以并发执行，共享相同的地址空间、文件等资源
  • 优点：创建删除快、占用空间小；同一个进程内的线程上下文切换开销小，数据交换效率高
  • 缺点：进程崩，所有线程都崩。

进程VS线程

• 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；

线程上下文切换

• 不同进程的线程：与进程切换一致
• 同进程的线程：只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据

线程的实现

三种线程的实现方式：

• 用户线程（User Thread）：在用户空间实现的线程，由用户态的线程库来完成线程的管理；

  • 线程控制块（Thread Control Block, TCB）记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），在线程库里，PCB不可见

  • 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

  • 多个用户线程对应同一个内核线程

  • 缺点：

    • 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。
    • 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
    • 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（Kernel Thread）：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程；

  • 操作系统管理，TCB 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：系统

• 轻量级进程（Light Weight Process）：在内核中来支持用户线程；

  • 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

  • LWP与用户线程有一对一、多对一、多对多关系

    • 1 : 1 模式：并行度高、开销大

    • N : 1 模式：用户线程数量没限制，且上下文切换发生用户空间，切换的效率较高；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：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：结合上面三种

调度⭐

Why？

多进程都想在CPU上执行，需要设计一个公平的执行调度算法。

How？

调度时机：就绪 -> 运行、运行 -> 阻塞、运行 -> 结束。

调度原则

• CPU 利用率高：当CPU空闲（IO、网络阻塞）就调度，使CPU一直忙着
• 系统吞吐量高：（CPU 在单位时间内完成的进程数量）防止长任务一直占用CPU
• 周转时间短：进程运行和阻塞时间总和要短
• 等待时间短：绪队列的时间要短
• 响应时间短：用户提交请求到系统第一次产生响应所花费的时间

调度算法

• 非抢占式调度：一个进程运行到结束才切换。非常不公平。

  • 先来先服务（First Come First Severd, FCFS）

  • 最短作业优先（Shortest Job First, SJF）

  • 高响应比优先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）：响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

    • 在SJF的基础上，弥补了长作业等待时间长的问题

• 抢占式调度：固定时间就进行调度，防止一个进程占用太长时间。

  • 时间片轮转（Round Robin, RR）：到固定时间（20ms~50ms）或阻塞就进行轮转切换

    • 缺点：时间短频繁切换效率低，时间长响应低

  • 最高优先级（Highest Priority First，HPF）：RR基础上，从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行。也有非抢占版本。

  • 多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）：兼顾了长短作业，同时有较好的响应时间

    • 多级：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：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；

    • 新进程放入一级队列，按照FCFS服务，时间片用完方下一级，以此类推。

    • 缺点：饥饿问题（“太多”交互型工作，就会不断占用CPU），用户会用一些手段欺骗调度程序，让它给予进程远超公平的资源。