进程、线程、调度
2021-10-25 20:57:01 0 举报AI智能生成
进程、线程、调度相关知识点的总结
作者其他创作
大纲/内容
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」
进程的概念
在一个进程的活动期间至少具备三种基本状态：运行状态、就绪状态、阻塞状态和另外两种基本状态：创建状态、结束状态
创建状态（new）：进程正在被创建时的状态；结束状态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态；运行状态（Runing）：该时刻进程占用 CPU；就绪状态（Ready）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂停停止；阻塞状态（Blocked）：该进程正在等待某一事件发生（如等待输入/输出操作的完成）而暂时停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行；
基本状态
NULL -> 创建状态：一个新进程被创建时的第一个状态；
创建状态 -> 就绪状态：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，这个过程是很快的；
就绪态 -> 运行状态：处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后，就分配给 CPU 正式运行该进程；
运行状态 -> 结束状态：当进程已经运行完成或出错时，会被操作系统作结束状态处理；
运行状态 -> 就绪状态：处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给它的运行时间片用完，操作系统会把该进程变为就绪态，接着从就绪态选中另外一个进程运行；
运行状态 -> 阻塞状态：当进程请求某个事件且必须等待时，例如请求 I/O 事件；
阻塞状态 -> 就绪状态：当进程要等待的事件完成时，它从阻塞状态变到就绪状态；
状态变迁
进程没有占用实际的物理内存空间的情况，这个状态就是挂起状态
挂起状态
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；
特殊状态
进程的状态
在操作系统中，是用进程控制块（process control block，PCB）数据结构来描述进程的。
PCB 是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个 PCB，如果进程消失了，那么 PCB 也会随之消失。
进程控制块（process control block，PCB）概念
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；
用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；
进程描述信息
进程当前状态，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；
进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；
进程控制和管理信息
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。
资源分配清单
CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时，CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB 中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。
CPU 相关信息
进程控制块（PCB）包含内容
通常是通过链表的方式进行组织，把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列。
将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；
把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；
概念原理
工作方式
链表组织
将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表
工作原理
索引组织
系统中众多CPU的组织
进程的控制结构
操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源，当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源应当还给父进程。同时，终止父进程时同时也会终止其所有的子进程。
概念
1. 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的 PCB，PCB 是有限的，若申请失败则创建失败；
2. 为进程分配资源，此处如果资源不足，进程就会进入等待状态，以等待资源；
3. 初始化 PCB；
4. 如果进程的调度队列能够接纳新进程，那就将进程插入到就绪队列，等待被调度运行；
过程
创建进程
进程可以有 3 种终止方式：正常结束、异常结束以及外界干预（信号 kill 掉）。
1. 查找需要终止的进程的 PCB；
2. 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；
3. 如果其还有子进程，则应将其所有子进程终止；
4. 将该进程所拥有的全部资源都归还给父进程或操作系统；
5. 将其从 PCB 所在队列中删除；
终止进程
当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一个进程唤醒。
1. 找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
2. 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；
3. 将该 PCB 插入的阻塞队列中去；
阻塞进程
进程由「运行」转变为「阻塞」状态是由于进程必须等待某一事件的完成，所以处于阻塞状态的进程是绝对不可能叫醒自己的。
如果某进程正在等待 I/O 事件，需由别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它。
1. 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
2. 将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
3. 把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；
唤醒进程
进程的控制
各个进程之间是共享 CPU 资源的，在不同的时候进程之间需要切换，让不同的进程可以在 CPU 执行，那么这个一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。
进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。
基本概念
1. 先把前一个进程的上下文保存起来
2. 加载新进程的上下文，恢复到CPU
步骤
图解
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；
使用场景
进程的上下文切换
进程
从视频文件当中读取数据；
对读取的数据进行解压缩；
把解压缩后的视频数据播放出来；
假设你要编写一个视频播放器软件，那么该软件功能的核心模块有三个
案例
播放出来的画面和声音会不连贯，因为当 CPU 能力不够强的时候，Read 的时候可能进程就等在这了，这样就会导致等半天才进行数据解压和播放；
各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率；
存在问题
单进程实现
进程之间如何通信，共享数据？
维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立 PCB；终止进程时，回收资源、撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；
多进程实现
综上所述，我们需要一种新的实体，来解决以上问题
实体之间可以并发运行；
实体之间共享相同的地址空间；
特性需求
这个新的实体，就是线程( Thread )，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。
线程引入
为什么使用线程
线程是进程当中的一条执行流程
同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有独立一套的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。
一个进程中可以同时存在多个线程；
各个线程之间可以并发执行；
各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；
优点
当进程中的一个线程奔溃时，会导致其所属进程的所有线程奔溃；
缺点
优缺点
什么是线程
进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
线程能减少并发执行的时间和空间开销；
概念对比
线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；
线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；
同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；
由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；
开销的对比
线程比进程不管是时间效率，还是空间效率都要高
总结
线程与进程的比较
线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所以，所谓操作系统的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源；
当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程；
当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；
线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。
前置概念
当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；
切换的内容
线程的上下文切换
用户线程（User Thread）：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由用户态的线程库来完成线程的管理；
内核线程（Kernel Thread）：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程；
轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中来支持用户线程；
实现方式
用户线程是基于用户态的线程管理库来实现的
用户线程的整个线程管理和调度，操作系统是不直接参与的，而是由用户级线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。
每个进程都需要有它私有的线程控制块（TCB）列表，用来跟踪记录它各个线程状态信息（PC、栈指针、寄存器），TCB 由用户级线程库函数来维护，可用于不支持线程技术的操作系统；
用户线程的切换也是由线程库函数来完成的，无需用户态与内核态的切换，所以速度特别快；
由于操作系统不参与线程的调度，如果一个线程发起了系统调用而阻塞，那进程所包含的用户线程都不能执行了。
当一个线程开始运行后，除非它主动地交出 CPU 的使用权，否则它所在的进程当中的其他线程无法运行，因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程，它没有这个特权，只有操作系统才有，但是用户线程不是由操作系统管理的。
由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会比较慢；
用户线程
内核线程是由操作系统管理的，线程对应的 TCB 自然是放在操作系统里的，这样线程的创建、终止和管理都是由操作系统负责。
内核线程的模型，也就类似前面提到的一对一的关系，即一个用户线程对应一个内核线程
在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行；
分配给线程，多线程的进程获得更多的 CPU 运行时间；
在支持内核线程的操作系统中，由内核来维护进程和线程的上下问信息，如 PCB 和 TCB；
线程的创建、终止和切换都是通过系统调用的方式来进行，因此对于系统来说，系统开销比较大；
内核线程
轻量级进程（Light-weight process，LWP）是内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个 LWP，每个 LWP 是跟内核线程一对一映射的，也就是 LWP 都是由一个内核线程支持。
LWP 只能由内核管理并像普通进程一样被调度，Linux 内核是支持 LWP 的典型例子。
LWP与普通进程的区别也在于它只有一个最小的执行上下文和调度程序所需的统计信息
优点：实现并行，当一个 LWP 阻塞，不会影响其他 LWP；
缺点：每一个用户线程，就产生一个内核线程，创建线程的开销较大。
1 : 1，即一个 LWP 对应 一个用户线程；
优点：用户线程要开几个都没问题，且上下文切换发生用户空间，切换的效率较高；
缺点：一个用户线程如果阻塞了，则整个进程都将会阻塞，另外在多核 CPU 中，是没办法充分利用 CPU 的。
N : 1，即一个 LWP 对应多个用户线程；
优点：综合了前两种优点，大部分的线程上下文发生在用户空间，且多个线程又可以充分利用多核 CPU 的资源。
N : N，即多个 LMP 对应多个用户线程；
LWP与用户线程的对应关系
轻量级进程
线程的实现
线程
选择一个进程运行这一功能是在操作系统中完成的，通常称为调度程序（scheduler）。
调度概念
从就绪态 -> 运行态：当进程被创建时，会进入到就绪队列，操作系统会从就绪队列选择一个进程运行；
从运行态 -> 阻塞态：当进程发生 I/O 事件而阻塞时，操作系统必须另外一个进程运行；
从运行态 -> 结束态：当进程退出结束后，操作系统得从就绪队列选择另外一个进程运行；
状态的变化
非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直到被阻塞，或者直到该进程退出，才会调用另外一个进程，也就是说不会理时钟中断这个事情。
抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程只运行某段时间，如果在该时段结束时，该进程仍然在运行时，则会把它挂起，接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理，需要在时间间隔的末端发生时钟中断，以便把 CPU 控制返回给调度程序进行调度，也就是常说的时间片机制。
硬件时钟周期性中断
调度时机
原则一：如果运行的程序，发生了 I/O 事件的请求，那 CPU 使用率必然会很低，因为此时进程在阻塞等待硬盘的数据返回。这样的过程，势必会造成 CPU 突然的空闲。所以，为了提高 CPU 利用率，在这种发送 I/O 事件致使 CPU 空闲的情况下，调度程序需要从就绪队列中选择一个进程来运行。
原则二：有的程序执行某个任务花费的时间会比较长，如果这个程序一直占用着 CPU，会造成系统吞吐量（CPU 在单位时间内完成的进程数量）的降低。所以，要提高系统的吞吐率，调度程序要权衡长任务和短任务进程的运行完成数量。
原则三：从进程开始到结束的过程中，实际上是包含两个时间，分别是进程运行时间和进程等待时间，这两个时间总和就称为周转时间。进程的周转时间越小越好，如果进程的等待时间很长而运行时间很短，那周转时间就很长，这不是我们所期望的，调度程序应该避免这种情况发生。
原则四：处于就绪队列的进程，也不能等太久，当然希望这个等待的时间越短越好，这样可以使得进程更快的在 CPU 中执行。所以，就绪队列中进程的等待时间也是调度程序所需要考虑的原则。
原则五：对于鼠标、键盘这种交互式比较强的应用，我们当然希望它的响应时间越快越好，否则就会影响用户体验了。所以，对于交互式比较强的应用，响应时间也是调度程序需要考虑的原则。
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，长作业的进程会占用较长的 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，等待的时间越长，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。
总结：使得进程要「快」
调度原则
每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行
缺点：这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业
优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量
缺点：对长作业不利，很容易造成一种极端现象
每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：
优点：权衡了短作业和长作业
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
从就绪队列中选择最高优先级的进程进行运行
抢占式
非抢占式
处理方式
最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法
「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展
「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短
「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；
多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法
单核 CPU 系统
多核CPU系统
调度算法
调度
进程、线程与调度
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