引言
Hello 大家，前段时间重看了《Linux系统性能优化》一书，在此总结一下操作系统、进程、线程与协程相关的基础知识，希望对广大程序员朋友们有点点帮助。
操作系统
我们知道操作系统是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，它充当计算机硬件与用户及应用程序之间的中间调度系统。为了更高效地发挥硬件资源的能力，操作系统这个调度系统需要具备多任务处理和并发处理的能力，于是人们就创造了进程、线程和协程等概念。进程提供基本隔离，线程提供内部并发，协程优化并发效率。
下面对三者进行一个具体阐述：
进程
- 是什么
- 进程是正在运行的一个程序实体,具有独立的内存空间
- 程序是什么？
- 程序是一些保存在磁盘上的指令的有序集合，是静态的
- 程序是什么？
- 进程是操作系统进行资源分配的最小单元
- 你可能又会问了，那进程都管理哪些资源呢？
- 简单来说，进程管理的资源有
- 内存资源(操作系统采用虚拟内存技术，把进程虚拟地址空间划分成用户空间和内核空间)
- 进程内存分为：栈区，代码区，数据区，堆区等区域
- IO资源
- 信号处理
- 文件资源
- 打开的文件描述符
- ...
- 简单来说，进程管理的资源有
- 你可能又会问了，那进程都管理哪些资源呢？
- 进程是正在运行的一个程序实体,具有独立的内存空间
- 解决了什么问题
- 进程让操作系统的多任务能力得以实现
- 如何解决的
- 我们用进程切换的流程来阐述这个问题吧
- 通过时钟中断(cpu时间片用完了)、设备中断、进程自己上报等待状态等方式，操作系统判断要切换进程了
- 保存现场：
- 将当前进程的资源状态信息记录到PCB，具体的资源状态处理下边会具体阐述
- 操作系统将CPU从用户态切换到内核态
- 以便操作系统内核安全管理进程上下文切换
- 选择下一个进程
- CPU根据时间片轮转算法从就绪队列中选取下一个可运行进程
- 恢复上下文环境
- 从选定进程的PCB中读取之前保存的状态信息还原到CPU寄存器,内存等处。
- 从内核到用户态
- CPU再从内核模式切换回用户模式,安全地运行用户进程。
- 进程切换涉及到的资源状态处理：
- CPU资源：保存当前进程的CPU状态(程序计数器、寄存器内容等)到PCB
- 进程控制块(PCB)是操作系统为每个进程都维护的一个数据结构,它包含了该进程的状态信息。每个PCB都存储在内存的操作系统区,而不是用户区或堆区。 操作系统可以高效控制和访问这些PCB。
- 内存资源：保存该进程的内存页信息到PCB，如果内存资源不够了，该进程中的部分数据页需要释放内存空间给其他进程使用，操作系统会将其换出到磁盘文件交换区，当再次调度该进程时，会将磁盘交换区的数据页读回内存，还原进程运行环境
- 进程内存资源还包括其下所有线程的堆栈信息和资源分配情况等
- "交换区" 指操作系统在磁盘中专门用于进程交换的区域
- 文件资源:如果有打开文件,需要将文件状态和位置信息保存到内核维护的全局文件表和PCB中;恢复时还原文件状态
- 文件表记录用于后续该文件可被多个进程共享访问。
- 进程控制块记录用于恢复该进程自己之前的文件状态。
- 设备资源(磁盘/网卡等):如果占用设备,需要保存当前状态并启用中断;恢复时还原设备状态。
- 当前进程占用某个设备进行IO操作时(如读磁盘),操作系统会禁止该设备产生中断
- 当进程切换时,操作系统需要保存设备当前的内部状态(如数据缓冲区中的内容)
- 同时使能该设备的中断,允许后续操作引起中断
- 当进程恢复运行后,操作系统需要从状态信息中还原设备内部状态
- 然后进程可以从中断点继续之前未完成的IO操作,或者处理之前期间积累的中断
- 信号量:需要保存和恢复相关信号量的状态。
- 信号量是一种同步原语,用于进程间的通信和同步。
- 将当前进程持有的所有信号量的计数状态保存下来,记录在进程控制块中
- 将这些信号量释放,使其他等待的进程可获取它们
- 切回原进程时,恢复其持有的信号量的计数状态
- 互斥锁:释放当前进程持有的互斥锁,为目标进程获取所需锁
- 队列资源:保存相关队列中的消息状态
- 队列资源指进程间通过消息队列进行通信的消息状态
- 将当前进程在各个队列中的消息拷贝状态保存到进程控制块
- 重新开始时,恢复这些队列状态,使进程可以从中继续收发消息
- 时间资源:更新进程资源使用时间统计
- 其他:比如用户ID/组ID, traba查进度等进程环境信息
- CPU资源：保存当前进程的CPU状态(程序计数器、寄存器内容等)到PCB
- 我们用进程切换的流程来阐述这个问题吧
线程
- 是什么
- 线程是操作系统调度CPU执行的最小单元
- 同一进程下可以有多个线程，多个线程间共享此进程中的内存空间与资源
- 所以同一进程下的多个线程互相通信相对简单，加锁访问共享资源即可
- 但也因为此关联性，当某个线程出问题时，可能会影响整个进程及其他线程
- 另外，每个线程拥有独立的栈区以及很少的寄存器内容(如程序计数器)
- 解决了什么问题
- 提高了操作系统并发处理任务的能力
- 如何解决的
- 我们用线程切换的流程来阐述这个问题吧
- 保存线程上下文
- 操作系统将当前线程的CPU寄存器内容(如程序计数器、堆栈指针等)保存到线程控制块TCB中。
- 从用户态到内核态
- 与进程切换一致
- 选择下一个线程
- 与进程切换一致
- 上下文切换
- 与进程切换一致
- 切换回用户态
- 与进程切换一致
- 保存线程上下文
- 与进程切换不同的是,线程切换仅需要保存和恢复线程自己的上下文环境, 比如栈指针等信息,开销更小
- 我们用线程切换的流程来阐述这个问题吧
协程
- 是什么
- 协程是一种运行在用户态的轻量级线程,多个协程可以并发运行在同一个线程上。
- 解决了什么问题
- 协程切换不涉及CPU内核态与用户态切换，成本更低
- 如何解决的
- 保存当前协程内部栈地址和程序计数器等上下文
- 恢复上一个协程的上下文环境。
- 进行上下文环境的快速切换,无需系统内核参与调度。
