[Linux打怪升级之路]-进程和线程

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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一、进程

1、进程的状态

2、进程的控制

3、进程的上下文切换

二、线程

1、什么是线程

2、进程和线程有什么区别

3、调度算法有哪些

一、进程

进程我们简单的理解就可以认为是内存中运行的程序

1、进程的状态

进程的状态大体上可以分为三种:运行状态，就绪状态，阻塞状态。

当一个进程A正在运行的可能，来一个优先级更高的B进程，这就会导致进程A由运行状态切换为就绪状态，直到进程B的时间片用完，在由CPU选择处于就绪状态的进程。

进程A也有可能他要进行I/O，但我们知道I/O是非常慢的，对于CPU的运行速度来说，这就会导致操作系统会将进程A的状态由运行状态变为阻塞状态。当I/O请求资源准备好之后，在把阻塞状态变为就绪状态，等待操作系统的调度。

其实操作系统还有二种状态：准备状态和结束状态。

准备状态：进程被创建的状态。

结束状态：进程正在从系统消失的状态。

当存在大量的进程处于阻塞状态的时候，这些进程如果都存在在内存中，就会浪费资源，所以操作系统会把这些进程置换到磁盘中，这时候我们称这些进程被挂起。

挂起又可以分为二种：

阻塞挂起状态：进程在磁盘上等待某个事件的出现(比如I/O请求完毕)。

就绪挂起状态：进程在磁盘上，一但进入到内存立刻可以运行。

导致进程被挂起的原因是非常多的，除了进程使用的空间不在物理内存中，还可能调用了sleep函数或者用发生了Ctrl+z的信号。

2、进程的控制

在了解进程进程控制前，我们知道操作系统在管理资源，都是先描述，在组织。所以为了管理好进程，操作系统中一个PCB数据结构(进程控制控制块)。

PCB中存放着进程的描述信息，进程控制和管理信息，资源分配清单，CPU相关信息。（描述）

进行描述信息：进程标识符和用户标识符

进程控制和管理信息：进程的状态，进程的优先级

资源分配清单：内存空间和虚拟内存空间的信息

CPU相关信息：主要是一些寄存器的值,保存进程切换相关信息的值

PCB通常是通过链表的方式进行管理进程，比如把相同状态的进程链接在一起，组成队列。（组织）

了解PCB数据结构，继续了解进程的控制过程，创建，终止，阻塞，唤醒。

进程创建

申请一个空白的PCB，填写进程的控制管理信息，比如进程的唯一描述符

为进程分配运行必须的资源，比如内存资源

将PCB插入到就绪队列，等待被调度运行

进程终止

进程终止有三种方式：正常结束，异常结束，外界干预（kill）。

当子进程终止后，其资源被父进程回收。当父进程被终止后，子进程成为孤儿进程被1号进程领养，资源也由1号进程回收。

查找需要终止的进程的 PCB；
如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
如果其还有子进程，则应将该进程的子进程交给 1 号进程接管；
将该进程所拥有的全部资源都归还给操作系统；
将其从 PCB 所在队列中删除；

阻塞进程

当一个进程需要等待某件事情的完成，他可以调用阻塞语句将自己阻塞，一旦阻塞只能由其他的进程唤醒。

找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
将该 PCB 插入到阻塞队列中去

进程唤醒

到进程的资源等代到后，由于放现进程进行通知，对该进程唤醒。

在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

3、进程的上下文切换

在理解进程上下文切换时，我们先简单的理解CPU上下文的切换，对与一个单核的CPU，我们看似在这台脑上一边听歌一边微信聊天，也就是认为任务在同时跑，但是其实不这样的，只是CPU切换的速度非常快，我们没有查觉到而已。

其中，CPU 寄存器和程序计数是 CPU 在运行任何任务前，所必须依赖的环境，这些环境就叫做 CPU 上下文。

CPU 上下文切换就是先把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

其中的任务可以是进程，线程，中断。

那进程上下文切换又是什么？

进程切换主要包括：用户资源，虚拟内存，栈，全局变量。还包括内核堆栈，寄存器等内核空间。

这些信息保存在PCB中，也就上进程间的切换其实是PCB的切换。

进程切换的场景

为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；
当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；
发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

二、线程

1、什么是线程

在了解线程是什么时候，我们先来看下面一个场景，我们要编写一个视频播放器，要完成读取文件数据，对数据进行解压，播放解压的数据。

当我们仅仅用：单进程跑下面的程序

播放出来的画面和声音会不连贯，因为CPU进行运行的非常快，I/O进行是非常慢的。

那多进程跑呢？

同样会出现许多问题：

进程我怎么进行通信， 共享数据，进程切换和维护的开销是非常大的。

为了解决这些问题，我们提出线程。

线程是进程的一个执行流，对于同一个进程间的线程，共享代码段、数据段、打开的文件等资源。

每个线程都有自己的栈和寄存器。

2、进程和线程有什么区别

那进程和线程的具体区别体现在哪里呢？

为了更好的理解进程和线程，下面我们把进程比作火车，线程比作火车车厢。

线程是跑在进程下的（单独的车厢是无法前行的）。
进程间的数据是不共享的，线程的堆，数据段，代码段等数据是共享的，但是栈和寄存器是不共享的。(火车和火车上的乘客一般不会有交集，但是同一辆火车上的不同车厢上的乘客更容易产生交集，当然不同乘客都会有自己的车厢)
线程的创建和切换比进程要快（乘客换车厢比换火车更加容易）
进程间一般不会相互影响，但是一个线程挂掉会导致整个进程挂掉。（一个火车起火不会影响另外一辆火车，但一节车厢着火会影响其他车厢）

3、调度算法有哪些

当操作系统在运行时，可能存在许多任务等待处理，对待单核CPU要进行任务的处理。存在非常都的掉用法方法。

先来先服务调度算法

这个就在就绪队列排在前面的进程先被CPU处理，直到处理完成任务，但是这个当这个任务非常长的情况下，会导致其实进程一直得不到处理。

最短作业优先调度算法

操作系统会优先运行服务时间较短的进程，这里看似能将一些短小进程服务处理掉，但是如果短小进程非常多，这会导致其他长时间进程得不到处理。

高响应比优先调度算法

为了衡量长短作业，每次在进程调度的时候都计算响应的优先级，在根据优先级进行任务的调度。

但是服务时间和等待时间是不可以预计，所以这也只是一个理想模型。

时间片轮转调度算法

这个就是给每个进程分配一个时间片，用完了就轮到下一个进程

最高优先级调度算法

在操作系统来看，有一些进程是要被加急时间处理的，所以要让最高优先级进程先运行。

进程的优先级可以分为，静态优先级和动态优先级：

静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
动态优先级：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。

但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

多级反馈队列调度算法

这里综合时间片轮转算法和最高优先级。

多级指的是有多个队列，每个队列的优先级从高往低递减，而且优先级越高的时间片越短。

反馈指当有新进程加入优先级到的进程，立刻停止正在运行的进程，马上去运行优先级高的队列。

工作流程：

设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；