[整理] 进程与线程及调度
1、系统调用
在程序状态字（Program Status Word, PSW）寄存器中有一个二进制位控制CPU的两种工作模式（内核态和用户态）。
- 在内核态运行时，CPU可以执行指令集中的每一条指令，操作系统在内核态下运行，从而可以访问整个硬件。
- 用户程序在用户态下运行，仅允许执行整个指令集中的一个子集。
一般而言，在用户态中有关I/O和内存保护的所有指令都是禁止的。
为了从操作系统中获得服务，用户程序使用系统调用（system call）陷入内核，TRAP（陷阱）指令把用户态切换成内核态，并启用OS，当有关工作完成之后，在系统调用后面的指令把控制权返回给用户程序。
- 在Unix中，系统调用和系统调用所使用的库过程之间几乎是一一对应的关系。且进程之间存在层次关系，称为进程树，所有进程都属于以init（OS启动进程）为根的一棵树。
- 在Windows中，我们通过API获得操作系统的服务，但大部分API和系统调用不存在对应关系。且不存在父进程和子进程的概念，进程创建之后，创建者和被创建者是平等的。
注意：
fork()创建一个原有进程的精确副本，子进程可以通过execve()替换不同的映像文件，从而执行不同的程序；
waitpid()用于挂起调用进程，直到其它（特定的）进程退出。
kill()供用户进程发送信号，若一个进程准备好捕捉一个特定的信号，那么，在信号到来时，运行一个信号处理程序，如果该进程没有准备好，那么信号的到来会杀死该进程。
2、进程
进程（process）本质上是正在执行的一个程序，是容纳运行一个程序所需要所有信息的容器。与一个进程相关的是进程的地址空间（address space）和进程表（process table）。进程的地址空间包括代码段、数据段、堆栈段。下面画出了进程的三种状态，以及状态之间的切换：
在多任务系统中，CPU使用某种调度算法在不同进程间来回快速切换，就好像这几个进程在并发执行一样。进程间的切换是通过中断（interrupt）来实现的。OS维护一张表格，即进程表，每个进程占用一个进程表项（也称进程控制块），该表项包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器（保存了下一条指令的内存地址）、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息，以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时必须保存的信息，从而保证该进程随后能再次启动，就像从未被中段过一样。
线程是把进程的两项功能——独立分配资源与被调度分派执行分离开来。进程作为系统资源分配和保护的独立单位，不需要频繁地切换。线程作为系统调度和分派的基本单位，能轻装运行，会被频繁地调度和切换。
3、线程(thread)
在传统的操作系统中，进程有一个地址空间和一个控制线程；而在多线程系统中，一个进程的地址空间中同时运行多个控制线程。
多线程的优点：
(1) 应用程序中往往同时发生着多种活动，其中某些活动随时间的推移会被阻塞。通过将这些应用程序分解成可以准并运行的多个顺序线程，程序设计模型会变得更加简单。
(2) 线程比进程更轻量级，更容易创建和撤销。
(3) 如果应用程序中存在大量的计算和I/O处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠进行，从而会加快程序执行的速度。
(4) 在多CPU系统中，多线程可以实现真正的并行运算。
在同一个进程中并行运行多个线程，是对在同一台计算机上并行运行多个进程的模拟。因此，线程也被称为轻量级进程（lightweight process）。与进程调度类似，CPU在线程之间快速切换，制造了线程并行运行的假象。不同的进程之间有独立的地址空间，而线程之间有完全一样的地址空间，这意味着它们共享同样的全局变量。
由于各个线程都可以访问进程地址空间的每一个内存地址，所以一个线程可以读、写，甚至清除另一个线程的堆栈。也就是说，线程之间是没有保护的。我们知道，不同的进程可能属于不同的用户所拥有，它们之间可能存在敌意。但用户创建多线程是为了它们之间的合作而不是彼此争斗。除了共享地址空间外，所有线程还共享同一个打开的文件集、子进程、报警以及相关信号等。但要注意的是，每个线程都有自己的堆栈、程序计数器、寄存器等信息，这些不是共享的。
与进程不同的是，无法利用时钟中断强制线程让出CPU，所以我们设法使线程行为“高尚”起来，并且随着时间的推移自动交出CPU，以便让其他线程有机会运行，这正是Pthread_yield系统调用的作用。
3.1 在用户空间中实现线程
有两种主要的方法实现线程包：在用户空间中和在内核中。前者是把整个线程包放在用户空间中，内核对线程包一无所知，仍按正常的单线程进程方式管理。
在用户空间实现线程，线程在一个运行时系统（即线程库）的顶部运行，这个运行时系统是一个管理线程的过程的集合，包括pthread_create、pthread_exit、pthread_join、pthread_yield等过程。每个进程需要其专门的线程表（thread table），用来跟踪该进程中的线程。线程表由运行时系统管理，当一个线程转换到就绪状态或阻塞状态时，在该线程表中存放重启该线程所需的信息，与内核在进程表中存放的进程的信息完全一样。
当某个线程做了一些会引起在本地阻塞的事情之后，例如等待进程中另一个线程完成某些工作，它调用一个运行时系统的过程，这个过程检查该线程是否必须进入阻塞状态。如果是，它在线程表中保持该线程的寄存器，并查看表中可运行的就绪线程，并把新线程的保存值重新装入机器的寄存器中。只要堆栈指针和程序计数器一被切换，新线程就又自动投入运行。
在用户空间中实现线程包的优点：
(1) 用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。
(2) 线程切换至少要比陷入内核要快一个数量级。在线程完成运行时，它调用thread_yield可以把该线程的信息保存在线程表中；进而，它可以调用线程调度程序来选择另一个要运行的线程。保存该线程状态的过程和调度程序都只是本地过程，所以启动它们比进行内核调用效率更高。另一方面，不需要陷阱，不需要上下文切换，也不需要对内存高速缓存进行刷新，这使得线程调度非常快捷。
(3) 允许每个进程有自己定制的调度算法。
(4) 具有较好的可扩展性，这是因为在内核空间中内核线程需要一些固定表格空间和堆栈空间，当内核线程的数量非常大，就会出现问题。
在用户空间中实现线程包的缺点：
(1) 如何实现阻塞系统调用而不影响其它线程。一种方法是使用非阻塞版本的系统调用；另一种方法是使用包装器（jacket 或 wrapper），在进行阻塞系统调用之前检查是否会引起阻塞，如果调用会被阻塞，有关的调用就不进行，代之以运行另一个线程。
(2) 在一个单独的进程内部，没有时钟中断，所以不能用轮转调度的方式调度线程。如果一个线程开始运行，那么在该进程中的其他线程就不能运行，除非第一个线程自动放弃CPU。
3.2 在内核中实现线程包
在内核中实现线程，此时不再需要运行时系统。另外，每个进程中也没有线程表，相反，在内核中用来记录系统中所有线程的线程表。当一个线程阻塞时，内核可以根据其选择，可以运行同一个进程中的另一个线程，或者运行另一个进程中的线程。而在用户级线程中，运行时系统始终运行自己进程中的线程，直到内核剥夺它的CPU为止。
内核级线程的缺点是：应用程序线程在用户态运行，而线程调度和管理在内核实现。在同一进程中，控制权从一个线程转移到另一个线程，需要用户态-内核态-用户态的模式切换，系统开销较大。
综上：用户级线程和内核级线程之间的差别在于性能。用户级线程的切换需要少量的机器指令，而内核级线程需要完整的上下文切换，修改内存映像，使高速缓存失效，这导致了若干数量级的延迟。另一方面，在使用内核级线程时，一旦线程阻塞在I/O就不需要像在用户级线程中那样将整个进程挂起。
上面我们分别研究了用户级线程和内核级线程，如果能够将两者结合起来，可以实现混合式线程，如下图所示。
采用混合式线程，内核只识别内核级线程，并对其进行调度。其中一些内核级线程会被多个用户级线程多路复用，在这种模型中，每个内核级线程有一个可以轮流使用的用户级线程集合。
4、进程调度机制
进程切换的代价是比较高的：首先必须从用户态切换到内核态，然后保存当前进程的状态以便以后重新装载，接着通过调度程序（scheduler）选定一个新进程，之后将新进程的内存映像重新装入，最后新进程开始运行。可见，选择一个好的进程调度算法（scheduling algorithm）非常重要。通常我们将进程划分两类：I/O密集型（IO-bound）和计算密集型（computer-bound），更多的进程倾向为I/O-bound，这是因为CPU的技术进步速度远快于磁盘。
何时调度：
(1) 在创建一个新进程之后，需要决定是运行父进程还是运行子进程。
(2) 在一个进程退出时必须做出调度决策，从就绪进程队列中选择一个进程运行。
(3) 当一个进程被阻塞在I/O或信号量或其他原因时，必须选择另外一个进程运行。
(4) 在一个I/O中断发生时，必须做出调度决策。如果中断来自I/O设备，当该设备完成工作后，被阻塞等待该I/O的进程就可以成为就绪进程，等待调度。
根据如何处理时钟中断，可以把调度算法分为两类：
(1) 抢占式：进程运行某个固定时段的最大值，在该时刻结束时被挂起，并由调度程序挑选另一个进程运行（根据优先级）。
(2) 非抢占式：进程运行直至被阻塞（阻塞在I/O上或等待另一个进程），或者直到该进程自动释放CPU。
在不同类型的系统中，调度策略也不相同，下面介绍三种环境下的调度机制：
4.1 批处理系统中的调度
批处理系统主要应用商业领域或科研单位等大型机构，批处理系统的三个主要指标为：吞吐量（单位时间完成的作业数量）；周转时间（平均完成每个作业所需的时间）；CPU利用率。如下面所示，假如有4个作业需要处理，每个作业需要的CPU单位时间标记在括号里，这两种调度方法的吞吐量是一样的，都需要20个CPU单位时间。但周转时间不一样，第一个的周转时间为(8+12+16+20)/4=14；第二个的周转时间为(4+8+12+20)/4=11。
----A(8)-----B(4)-----C(4)-----D(4)-----
----D(4)-----B(4)-----C(4)-----A(8)-----
(1) 先来先服务（非抢占式）：使用一个队列记录所有就绪进程，从队列头部选择一个要运行的进程；要添加一个新的作业或阻塞一个进程，只要把该作业或进程追加到队尾即可。先来先服务对于I/O-bond进程来说，CPU利用率很低。
(2) 最短作业优先（非抢占式）：如果各个作业的CPU时间是可预期的，将进程按照它们各自所需要的CPU时间排序，优先执行占用CPU时间短的作业，以达到最短的作业周转时间。
(3) 最短剩余时间优先（抢占式）：最短作业优先的抢占式版本，调度程序总是选择剩余时间最短的那个进程运行。当然，有关的运行时间必须提前掌握。
4.2 交互式系统中的调度
交互式系统在个人计算机、服务器等系统中比较常见，它对响应时间和均衡性要求比较高。
(1) 轮转调度：每个进程被分配一个时间段，称为时间片（quantum），即允许该进程在该时间段中运行。如果在时间片结束时刻该进程还在运行，则将剥夺CPU并分配给另一个进程。如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则CPU立即切换。注意：时间片设置太短会导致过多的进程切换，降低CPU效率；而设得太长又可能引起对短的交互请求的响应时间变长。
(2) 优先级调度：轮转调度隐含一个假设，即所有进程同等重要。而优先级调度给每个进程赋予一个优先级，并允许优先级高的进程先运行。为了防止高优先级进程无休止地运行下去，调度程序可以在每个时钟中断降低当前进程的优先级。例如I/O-bound进程可以被赋予较高的优先级，以改善对用户的交互性。
(3) 多级队列：
(4) 最短进程优先：从当前进程中选择需要CPU时间最短的进程运行，以获得最短的响应时间。不过，这里需要某种算法来推测各个进程的运行时间。
(5) 保证调度：假设每个进程需要的CPU时间是可预期的，系统跟踪各个进程自创建以来已使用的CPU时间，然后计算出各个进程真正获得的CPU时间和应获得的CPU时间之比，调度程序优先让这个比率值比较低的进程运行。
(6) 彩票调度：系统向将进程发放彩票，调度程序随机抽出一张彩票，拥有该彩票的进程获得资源。各个进程拥有的彩票份额与它们获得的CPU时间大致成正比。
(7) 公平分享调度：考虑进程的拥有者，做到让不同用户的进程获得大致相等的CPU时间。
4.3 实时系统中的调度
实时系统是一种时间起着主导作用的系统，它对截止时间的要求比较高。
两者的区别总结
| 进程 | 线程 | |
|---|---|---|
| 根本区别 | 操作系统资源分配的基本单位 | 任务调度和执行的基本单位 |
| 开销方面 | 有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销； | 同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。 |
| 所处环境 | 操作系统中能同时运行多个进程（程序） | 同一个进程（程序）中有多个线程同时执行（通过CPU调度，在每个时间片中只有一个线程执行） |
| 内存分配 | 系统在运行的时候会为每个进程分配不同的内存空间 | 除了CPU外，系统不会为线程分配内存（线程所使用的资源来自其所属进程的资源），线程组之间只能共享资源 |
| 包含关系 | 没有线程的进程可以看做是单线程的，如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的 | 线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程 |
通俗解释
假定工厂的电力有限，一次只能供给一个车间使用。也就是说，一个车间开工的时候，其他车间都必须停工。
背后的含义就是，单个CPU一次只能运行一个任务。进程就好比工厂的车间，它代表CPU所能处理的单个任务。任一时刻，CPU总是运行一个进程，其他进程处于非运行状态。
一个车间里，可以有很多工人。他们协同完成一个任务。线程就好比车间里的工人。一个进程可以包括多个线程。
车间的空间是工人们共享的，比如许多房间是每个工人都可以进出的。
这象征一个进程的内存空间是共享的，每个线程都可以使用这些共享内存。
可是，每间房间的大小不同，有些房间最多只能容纳一个人，比如厕所。里面有人的时候，其他人就不能进去了。
这代表一个线程使用某些共享内存时，其他线程必须等它结束，才能使用这一块内存。
一个防止他人进入的简单方法，就是门口加一把锁。先到的人锁上门，后到的人看到上锁，就在门口排队，等锁打开再进去。这就叫"互斥锁"（Mutual['mjuːtʃuəl] exclusion，缩写 Mutex），防止多个线程同时读写某一块内存区域。
还有些房间，可以同时容纳n个人，比如厨房。也就是说，如果人数大于n，多出来的人只能在外面等着。这好比某些内存区域，只能供给固定数目的线程使用。这时的解决方法，就是在门口挂n把钥匙。进去的人就取一把钥匙，出来时再把钥匙挂回原处。后到的人发现钥匙架空了，就知道必须在门口排队等着了。
这种做法叫做"信号量"（Semaphore ['semə.fɔr]），用来保证多个线程不会互相冲突。不难看出，mutex是semaphore的一种特殊情况（n=1时）。也就是说，完全可以用后者替代前者。但是，因为mutex较为简单，且效率高，所以在必须保证资源独占的情况下，还是采用这种设计。
