小林coding 图解系统 chapter4

chapter 4 进程与线程

 

（先mark住开题之前的小故事，看完之后再来看这个小故事可能会有不同的收获！！！）

 

4.1 进程

我们编写的代码只是⼀个存储在硬盘的静态⽂件，通过编译后就会⽣成⼆进制可执⾏⽂件，当我们运⾏这个可执⾏⽂件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执⾏程序中的每⼀条指令，那么这个运⾏中的程序，就被称为【进程】（Process）。

 

编写的代码（静态文件） ---> 编译（二进制可执行文件） ----->  运行这个二进制可执行文件（被装载到内存中） ----> cpu会执行每一条指令

 

上述描述中，这个正在执行的命令就是进程！！！

 

对于⼀个⽀持多进程的系统，CPU 会从⼀个进程快速切换⾄另⼀个进程，其间每个进程各运⾏⼏⼗或⼏百个毫秒。

虽然单核的 CPU 在某⼀个瞬间，只能运⾏⼀个进程。但在 1 秒钟期间，它可能会运⾏多个进程，这样就产⽣并⾏的错觉，实际上这是并发。

 

1个cpu交替处理不同的进程，称作并发；

好几个cpu做着不同的任务，称为并行！！！

 

如果有大量处于阻塞状态的进程，会导致内存的浪费，进程会占用储存空间；所以在虚拟内存管理操作系统中，会将阻塞状态的进程换到硬盘当中，需要再次运行的时候，才换入到物理内存中去！！！

 

所以，描述进程没有占用实际物理内存的状态就是------> 挂起状态！！！

另外，挂起可以分成两种：一个是就绪态挂起，一个是阻塞态挂起；

 

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；

 

 

进程的控制结构：

在OS中，用PCB（processing control block）来描述进程

 

那么PCB中有什么信息呢？

进程描述信息，进程控制和管理信息，资源分配清单，CPU 相关信息

 

通常PCB使用链表的形式串在一起，把相同状态的PCB串在一起

 

但是，除了链表的方式之外，还有索引的方式；不过为了方便数据的增删改查，还是使用链表比较方便！！！

 

进程的控制 ：1、创建进程，2、终止进程，3、阻塞进程，4、唤醒进程

创建进程：为新的进程申请一个新的进程标识符，再申请一个空白的PCB（PCB是有限的，若申请失败则创建进程失败）

终止进程：有三种方式终止进程：正常结束，异常结束和被kill掉

                先找到想要结束的进程的PCB

                若处于执行状态，则立即终止他的运行状态，把资源还给cpu

                若其还有子进程，则需要立即终止其子进程，将资源全部返还给操作系统或者父进程

                将PCB从所在队列中剔除

阻塞进程：找到想要阻塞的进程的PCB 

                  若其正在运行，保护其现场，将其状态改为阻塞态

                  将PCB插入到阻塞队列当中去

唤醒进程：找到想唤醒的进程的PCB

                  从阻塞队列中移除，标志状态改为就绪态

                  将PCB插入到就绪队列当中去

 

进程的上下文切换：表示的是PCB的切换，因为进程的环境就是PCB。通常进程会把信息保存在PCB中，通过PCB来实现环境的切换！！

cpu的上下文切换：表示的是cpu寄存器和程序计数器（PC）所依赖的环境，这两个代表了cpu运行的环境------> 环境的切换，就是cpu上下文的切换！！！

 

 

线程：线程就是进程的一条执行流程！！

线程的优点：

1、不同线程可以并发执行

2、一个进程当中可以有多个线程

3、各个线程之间可以共享资源

线程的缺点：

一个线程挂了，所有线程都挂了！！！

 

如果两个线程不是同一个进程的话，那么线程切换就是上下文切换；

如果两个线程是一个进程的话，那么线程的切换就是进程内部的切换：只需要切换私有数据就可以了。

 

线程主要有三类：

用户级线程，内核级线程和轻量级线程

 

调度算法：

调度算法分成两类：一种是抢占式调度算法，一种式非抢占式调度算法

抢占式调度算法是指：挑选一个进程，设置一定长时间的时间片，如果时间片结束之后该进程依然没有执行完毕，则该进程被挂起，OS选择其他的进程来运行

非抢占式调度算法：运行一个进程，如果他的运行时间片用完或者是运行结束之后，才会调用另外的进程！！！

为了实现一个优秀的调度类算法，我们需要做的就是考虑上述5个问题的实现效率！！！

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，⻓作业的进程会占⽤较

                      ⻓的 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

                   间越⻓，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。

 调度算法的分类：

1、FCFS（first come first serve）----> 先来先服务

这很简单，就是先来的进程会优先服务，运行处理完之后，再运行or处理下一个进程

2、SJF（shortest job first）-----> 短作业优先法则

这也很简单，就是谁的运行时间最短，就优先服务谁。

3、HRRN（highest response radio next）（为什么不用first，不理解TAT）高相应比优先

相应比 = （等待时间+运行时间）/（运行时间），相对的，运行时间越少，或者等待时间越多则相应比就越高！！！

所以这种方法是 短任务优先+会服务长进程的算法（因为长进程肯定要等待很久来能轮到，所以客观上有利于长进程的运行！！！）

4、RR（Round Robin） ----> 时间片轮转调度法

每一个进程分配一个时间片（最理想的时间片应该是20ms--50ms）

如果一个进程在时间片所规定的时间之内用完了时间片，但是进程依然没有处理完成的话，则进程被挂起把cpu的性能释放出来，为下一个进程做服务！！！

如果在规定的时间片的时间内，进程已经运行完毕了，那么操作系统会将cpu立即切换到其他的进程！！！

5、HPF（highest processing first）最高优先级调度法

进程的优先级：静态进程优先级+动态进程优先级

静态优先级是创建进程的时候已经分配好的，优先级是不变的

动态优先级是会随着时间的流逝而改变的；根据进程的动态变化调整优先级，⽐如如果进程运⾏时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升⾼其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。

最高优先调度法依然会有抢占式和非抢占式

抢占式：当就绪队列中出现优先级较高的进程的时候，优先处理，将当前运行的进程挂起，优先运行优先级较高的进程

非抢占式：依次按照顺序来处理

6、MFQ（Multilevel Feedback Queue）多级反馈队列

多级：就是有多个就绪队列，每个队列的优先级从高到低，优先级越高时间片越小

反馈：就是有优先级较高的进程加入队列，那么应该立即停止当前运行的进程，转而去运行优先级较高的进程！！！

 

上述的6种调度算法必须要记得挺牢！！！

 

4.2 进程之间的通信

 

我们知道，进程的用户空间是不能被独立的，一般而言是不能被访问的，但是内核态确实可以共享的！！！

 

Linux内核提供了不少的通信方法：

1、管道；2、消息；3、信号；4、信号量；5、共享内存；6、socket（插座）（现在的我只是把他背下来了）23333

 

1）管道：管道的传输是单向的，如果要想实现相互通信的话，需要两个管道！！！

效率太地下了

2）消息队列：消息队列是保存在内核中的消息链表！！！（类似于回邮件，你回我一封信，我回你一封信）

缺点：通信不及时，传输信息有大小要求！！！

3） 共享内存：消息队列会有用户态空间与内核态空间相互拷贝的问题（我也不太懂为什么）

拿出一块虚拟内存来来，映射到相同的物理地址当中去。这样就不需要互相拷贝了，就会共享了！！！

4）信号量：共享内存之后，如果同一时间多个进程同时修改一个共享内存，那么势必会引发冲突，所以信号量正是需要的所谓的保护机制！！！

P操作：用在共享资源之前；信号量减去1，如果信号量>=0,则还可以继续分配；若信号量<0则不可以进行分配

V操作：用在共享资源之后：信号量加上1，

5）信号：上述方式都是正常状态下进行的通信，那么不正常的状态下进行的通信该怎么去操作呢？

6）socket：表示跨网络在不同主机上进行通信！！！（socket没怎么看全，知道其中有tcp，udp和本机进程通信）

 

 

 

4.3多线程同步

多线程当中，如果共享资源没有上锁的话，那么多线程之间的竞争会非常的可怕，同时可能会让进程崩溃！！！

所以多线程同步本质上就是解决共享资源分配的问题！

互斥进程 ：

互斥不只是针对对线程的，也可以对多进程竞争共享资源的时候，可以使用，避免造成资源混乱！！！

上述图片就是互斥的本质！！！

线程同步：

在一些关键点上需要线程之间相互通信，相互等待。这种相互通信，相互等待就称为线程同步！！！

 

加锁 or 设置信号量！！！

原子操作：原子操作是要么全部执行，要么全不执行，不可以出现执行一半的情况！！！

如果互斥信号量为 1，表示没有线程进⼊临界区；

如果互斥信号量为 0，表示有⼀个线程进⼊临界区；

如果互斥信号量为 -1，表示⼀个线程进⼊临界区，另⼀个线程等待进⼊。

很有味道，可以仔细品读一下！！！

 

生产者---消费者问题

生产者在生成数据之后放在一个缓冲区之内

消费者在缓冲区之内取出数据

当且仅当只有一个生产者和消费者可以访问缓冲区！！！

 

当且仅当在同一时间只有1个生产者和消费者可以访问缓冲区，所以操作缓冲区是临界代码，需要进行互斥操作；

缓冲区空的时候，需要进行生产操作（加数据），在缓冲区满之后，需要进行消费者操作（减数据）！！则说明生产者和消费者需要进行同步操作

 

则，我们需要三个标志量：

互斥信号 mutex；资源信号量 fullBuffers；资源信号量 emptyBuffers

fullBuffers 用于生产者询问缓冲区内是否有数据，初始化为0

emptyBuffers 用于消费者询问缓冲区是否有空位，初始化为 n （缓冲区本来的大小）

 

 

没理解哲学家就餐问题（TAT）

哲学家就餐问题放到之后回答！！！

 

 

 

 

4.4 死锁

两个线程一直都在等待对方释放锁，没有外力的作用下，这些线程就会一直等待，这就是死锁！！！

死锁只有同时满⾜以下四个条件才会发⽣：

互斥条件；

持有并等待条件；

不可剥夺条件；

环路等待条件；

 

互斥条件是指：多个线程不可以同时获得一个资源

持有并等待条件：一个线程已经拥有了资源1，但是线程还想拥有资源2，但是资源2被另一个线程持有的时候，这个线程就必须持有并等待

不可剥夺条件：线程在拥有资源时，会保证线程在完成之前，手里的资源不会被其他线程所占有

环路等待条件：线程1拥有资源1，但是还想要资源2，线程2拥有资源2，还想要资源1，形成环路，卡住并等待

 

如何避免死锁问题的发生：

因为死锁的产生需要四个条件：互斥条件，持有并等待条件，不可剥夺条件，环路等待条件

所以，我们只需要剥夺上述四个条件中的任何一个条件即可！！！

我们可以采用有序资源分配法，来进行处理

意思就是，如果线程1和线程2都需要资源A和B的话，可以让线程1和线程2需要的资源顺序保持一致！！！即线程1需要的资源顺序为A、B，线程2需要的资源顺序也为A、B

 

4.5 乐观锁&悲观锁

互斥锁，自旋锁，读写锁，乐观锁，悲观锁

互斥锁加锁失败之后会释放掉cpu的资源，线程会被堵塞

自旋锁加锁失败之后，会一直忙等待，知道重新发现了锁。利用CPU周期，直到锁可用

 

 

读写锁：在读的过程中，用读锁加锁；在写的过程中，用写锁加锁。这样，我们可以非常清晰的判断出线程再进行读操作还是写操作了

读锁可以被好几个线程触发，也就是说，在读操作过程中，可以有很多的线程进行读操作；

但是写锁只可以被一个线程触发，在进行写操作的时候，只有一个线程可以进行写操作。一旦写锁被触发的话，读操作的进程就会被堵塞，其他进程获取写锁的操作也会被堵塞！！！！

（还有读优先锁和写优先锁）！！！

 

上述的互斥锁，自旋锁，读写锁都是悲观锁 ----- > 很容易出现冲突的情况下，采用悲观锁

但是，有一部分进程是不容易出现冲突的，这时候就需要采用乐观锁了：先修改共享资源，如果修改完之后，其他的线程修改过，那么此次修改是成功的；但是，如果修改完之后，其他的线程已经修改过这个资源，那么此次的修改失败了，放弃本次操作！！！！