进程和线程
# 基本概念
# 进程和线程的区别
- 进程：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是系统中的并发执行的单位
- 线程：线程是进程的一个实体，也是 CPU 调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位，有时又被称为轻量级进程
- 进程是资源分配的最小单位，而线程是 CPU 调度的最小单位
- 创建进程或撤销进程，系统都要为之分配或回收资源，操作系统开销远大于创建或撤销线程时的开销
- 不同进程地址空间相互独立，同一进程内的线程共享同一地址空间。一个进程的线程在另一个进程内是不可见的
- 进程间不会相互影响，而一个线程挂掉将可能导致整个进程挂掉
# 进程包括那些东西
①程序。作用：描述进程要完成的功能。 ②数据。作用：程序在执行时所需要的数据和工作区。 ③ PCB。作用：包含进程的描述信息和控制信息。它是进程存在的唯一标志。 进程控制块
在Linux中，进程在内存中按照如下规则分布
程序段(Text): 程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码。
初始化过的数据(Data): 在程序运行初已经对变量进行初始化的数据。
未初始化过的数据(BSS): 在程序运行初未对变量进行初始化的数据。
栈(Stack): 存储局部、临时变量，函数调用时，存储函数的返回指针，用于控制函数的调用和返回。在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存，其操作方式类似于数据结构中的栈。
堆 (Heap): 存储动态内存分配,需要程序员手工分配,手工释放.注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。
参考：Linux - 进程(一) 进程空间_zzbjut-CSDN博客 (opens new window)
# 多线程的优点
- 更加高效的内存共享。多进程下内存共享不便
- 较轻的上下文切换。因为不用切换地址空间，CR3寄存器和清空TLB
# 多进程的优点
- 各个进程有自己内存空间，所以具有更强的容错性，不至于一个集成crash导致系统崩溃
- 具有更好的多核可伸缩性，因为进程将地址空间，页表等进行了隔离，在多核的系统上可伸缩性更强
# 如何提升多线程的效率
- 尽量使用池化技术，也就是线程池，从而不用频繁的创建，销毁线程
- 减少线程之间的同步和通信
- 通过Huge Page的方式避免产生大量的缺页异常
- 避免需要频繁共享写的数据
# 进程之间的通信方式
- 管道 管道是单向的，一个输入，另一个可以得到输出
- 消息队列 在发送数据的时候，按照一个个独立单元(消息体)进行发送
- 共享内存 通过shmget创建一份共享内存，并可以通过ipcs命令查看我们创建的共享内存。此时如果一个进程需要访问这段内存，需要将这个内存加载到自己虚拟地址空间的一个位置，让内核给它一个合法地址。使用完毕接触板顶并删除内存对象
- 信号量 用于保证同一份资源只能有一个进程使用，信号量提供了P（申请资源）V（释放资源）操作
- 信号 其实就是通知机制，不同的信号有不同的值，我们只需要发送一个信号，然后函数接收并进行处理
- 套接字 不同进程使用socket进行通信
# 进程之前同步的方式
我实在不知道那个才是标准答案。。。网上一堆乱七八糟的东西。。。
# 几个基本概念
进程间的两种制约关系
- 间接相互制约（互斥）：因为进程在并发执行的时候共享临界资源而形成的相互制约的关系，需要对临界资源互斥地访问；
- 直接制约关系（同步）：多个进程之间为完成同一任务而相互合作而形成的制约关系。
临界资源：
指同一时刻只允许一个进程可以该问的资源称之为临界资源，诸进程之间采取互斥方式，实现对临界资源的共享。
临界区
进程中访问临界资源的那段代码。每个进程在进入临界区之前，应先对欲访问的临界资源的“大门”状态进行检测，如果“大门”敞开，进程便可进入临界区，并将临界区的“大门”关上；否则就表示有进程在临界区内，当前进程无法进入临界区。
指令
指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，因为是机器语言的一条指令，所以指令就可以等价于是原子性的，只有在执行完一条指令后才会去响应中断
原语
由若干条指令组成的，用户完成一定功能的一个过程。原语操作的一个特点就是“原子操作”， 因此原语在执行的过程中不允许被中断。原子操作在系统态下执行，常驻内存。
同步机制应遵循的规则
- 空闲让进： 当临界区的“大门”敞开时，应当允许一个请求的进入临界区的进程立即进入临界区。
- 忙则等待： 当临界区的“大门”关闭时，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。
- 有限等待： 对要求进入临界区的进程，应保证有限的时间能进入自已的临界区，以免陷入“死等” 状态。
- 让权等待：当进程不能进入自已的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”状态。
忙等和死等的区别
- 死等： 对行死等的进程来说，这个进程可能是处于阻塞状态，等着别的进程将其唤醒（signal 原语），但是如果唤醒原语一直无法执行，对于阻塞的进程来说，就是一直处于死等的状态，是无法获得处理机的。
- 忙等：忙等状态比较容易理解，处于忙等状态的进程是一直占有处理机去不断的判断临界区是否可以进入，在此期间，进程一直在运行，这就是忙等状态。有一点需要注意的是，忙等是非常可怕的，因为处于忙等的进程会一直霸占处理机的，相当于陷入死循环了。 忙等的状态在单CPU 系统中是无法被打破的，只能系统重启解决。
# 进程同步的5中机制
信号量机制
一个信号量只能置一次初值，以后只能对之进行p操作或v操作。 由此也可以看到，信号量机制必须有公共内存，不能用于分布式操作系统，这是它最大的弱点。
自旋锁
旋锁是为了保护共享资源提出的一种锁机制。 调用者申请的资源如果被占用，即自旋锁被已经被别的执行单元保持，则调用者一直循环在那里看是否该自旋锁的保持着已经释放了锁，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构和代码片段的原始方式，可能会引起以下两个问题; （1）死锁 （2）过多地占用CPU资源
管程
信号量机制功能强大，但使用时对信号量的操作分散，而且难以控制，读写和维护都很困难。因此后来又提出了一种集中式同步进程——管程。其基本思想是将共享变量和对它们的操作集中在一个模块中，操作系统或并发程序就由这样的模块构成。这样模块之间联系清晰，便于维护和修改，易于保证正确性。
会合
进程直接进行相互作用
分布式系统
由于在分布式操作系统中没有公共内存，因此参数全为值参，而且不可为指针。
进程同步的5种机制_魏波-CSDN博主-CSDN博客_进程同步机制 (opens new window)
进程同步机制（软件同步，硬件同步，信号量，管程） (opens new window)
# 进程调度算法
- FCFS 先来先服务 先来的先进行服务
- SPN 最短进程优先 就是服务时间最短的先执行
- SRT 最短剩余时间 当程序的剩余时间最短的先执行
- 轮转（RR）调度算法 给每个进程都执行一个时间片，执行完后放到队列尾部，然后我们执行队列头部
- FB反馈算法 有多个就绪队列，不同的队列有不同的优先级（越到前面越高），队列就按FCFS执行，然后当被其他进程强占时，会降低至第二队列，直到第n个队列（只有当前面的队列为空，才执行当前队列）
# 进程调度模型
阻塞一般是当系统执行IO操作时，此时进程进入阻塞状态，等待某个事件的返回。挂起是指进程没有占有物理内存，被写到磁盘上了。这时进程状态是挂起状态。阻塞挂起进程被写入硬盘并等待某个事件的出现。就绪挂起进程被写入硬盘，进入内存可直接进入就绪状态。
# PCB 进程控制块
作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程
# PCB包含的信息
- 进程标识符 用于唯一地标识一个进程，一个进程通常有两种标识符：
内部进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符，设置内部标识符主要是为了方便系统使用。外部进程标识符：它由创建者提供，可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。往往是由用户进程在访问该进程时使用。一般为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。
- 处理机状态 由各种寄存器组成。包含许多信息都放在寄存器中，方便程序restart。
- 通用寄存器、指令计数器、程序状态字PSW、用户栈指针等信息。
- 进程调度信息
- 进程状态：指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据。
- 进程优先级：用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机
- 进程调度所需的其它信息：与所采用的进程调度算法有关，如进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等。
- 事件：指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。
- 资源清单 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。
# PCB组织方式
- 线性方式
- 索引方式
- 链接方式
# 用户态和内核态
- 内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
- 用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。
# 为什么要有用户态和内核态呢？
由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 -- 用户态和内核态。
# 如何从用户态切换到内核态
- 系统调用 这是用户态进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户态进程通过系统调用申请使用操作系统提供的服务程序完成工作，比如 fork() 实际上就是执行了一个创建新进程的系统调用。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如 Linux 的 int 80h 中断。
- 中断 当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
- 异常 当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。
参考