进程和线程

发布于 10 天前  7 次阅读


进程

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

进程的状态:

在操作系统,用进程控制块(PCB)来描述进程,PCB 是进程存在的唯一标识

进程描述信息:

  • 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;

进程控制和管理信息:

  • 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;

资源分配清单:

  • 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。

CPU 相关信息:

  • 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。

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。比如:

  • 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
  • 另外,对于运行队列在单核 CPU 系统中则只有一个运行指针了,因为单核 CPU 在某个时间,只能运行一个程序。

进程的控制:创建、终止、阻塞、唤醒

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,但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈,这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优点:

  • 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;

线程的缺点:

  • 当进程中的一个线程崩溃时,会导致其所属进程的所有线程崩溃(这里是针对 C/C++ 语言)

线程与进程的比较

线程与进程的比较如下:

  • 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;

对于,线程相比进程能减少开销,体现在:

  • 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;

所以,不管是时间效率,还是空间效率线程比进程都要高。

线程切换要看是不是同一个进程的来决定后续逻辑

进程之间通信:

管道:管道这种通信方式效率低,不适合进程间频繁地交换数据(本质也是文件)

消息队列:消息队列是保存在内核中的消息链表,消息队列不适合比较大数据的传输,消息队列通信过程中,存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销。

共享内存:共享内存的机制,就是拿出一块虚拟地址空间来,映射到相同的物理内存中(信号了PV解决互斥)

Socket:可用于不同主机之间通信

互斥和同步的实现方式:

锁:加锁、解锁操作

信号量:P、V操作

生产者、消费者问题:用三个信号量

哲学家进餐问题:

方案一:即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」,奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。

方案二:一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时,才可以进入进餐状态

避免死锁:最常见方法是都有序操作

调度算法

单核CPU

先来先服务调度算法

非抢占式的先来先服务调度算法,适用于 CPU 繁忙型作业的系统,而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统,且对长作业友好,对短作业不够友好。

最短作业优先调度算法

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。对长作业不利,极端的时候可能不会运行到长作业。

高响应比优先调度算法

相同情况下,短作业优先,但是等了很久的长作业优先权会逐渐变大得到执行。(这是理想算法,显示中不知道要求服务时间)

时间片轮转调度算法

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。

  • 如果时间片用完,进程还在运行,那么将会把此进程从 CPU 释放出来,并把 CPU 分配给另外一个进程;
  • 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束,则 CPU 立即进行切换;

值得注意的是:

  • 如果时间片设得太短会导致过多的进程上下文切换,降低了 CPU 效率;
  • 如果设得太长又可能引起对短作业进程的响应时间变长。

最高优先级调度算法

  • 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

  • 非抢占式:当就绪队列中出现优先级高的进程,运行完当前进程,再选择优先级高的进程。
  • 抢占式:当就绪队列中出现优先级高的进程,当前进程挂起,调度优先级高的进程运行。

缺点是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

  • 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;

可以发现,对于短作业可能可以在第一级队列很快被处理完。对于长作业,如果在第一级队列处理不完,可以移入下次队列等待被执行,虽然等待的时间变长了,但是运行时间也变更长了,所以该算法很好的兼顾了长短作业,同时有较好的响应时间。