5.1 进程、线程基础知识

进程

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。

并发和并行有什么区别？

进程的状态

• 创建状态（new）：进程正在被创建时的状态；

• 运行状态（Running）：该时刻进程占用 CPU；

• 就绪状态（Ready）：可运行，由于其他进程处于运行状态而暂时停止运行；

• 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；

• 阻塞挂起状态：进程在外存（硬盘）并等待某个事件的出现；（或者在内存中但是执行了sleep、ctrl+Z）

• 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；

• 结束状态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态；

状态切换

• 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 -> 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 -> 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 -> 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；

进程的控制结构

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。

通常是通过链表的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。

除了链接的组织方式，还有索引方式，它的工作原理：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。

一般会选择链表，因为可能面临进程创建，销毁等调度导致进程状态发生变化，所以链表能够更加灵活的插入和删除。

进程的控制

01 创建进程

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。

创建进程的过程如下：

• 申请一个空白的 PCB，并向 PCB 中填写一些控制和管理进程的信息，比如进程的唯一标识等；
• 为该进程分配运行时所必需的资源，比如内存资源；
• 将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

02 终止进程

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）。

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。而当父进程被终止时，该父进程的子进程就变为孤儿进程，会被 1 号进程收养，并由 1 号进程对它们完成状态收集工作。

终止进程的过程如下：

• 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；

03 阻塞进程

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。

阻塞进程的过程如下：

• 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；

04 唤醒进程

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。

唤醒进程的过程如下：

• 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；

进程的阻塞和唤醒是一对功能相反的语句，如果某个进程调用了阻塞语句，则必有一个与之对应的唤醒语句。

进程的上下文切换

一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。

任务是交给 CPU 运行的，那么在每个任务运行前，CPU 需要知道任务从哪里加载，又从哪里开始运行。

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。

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

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。

上下文切换的场景

• 进程时间片用完，进入就绪态
• 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，会刮起
• 通过 sleep 这样的方法将自己主动挂起时；
• 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；

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线程

线程更小的能独立运行的基本单位。线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

什么是线程？

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，Java 语言中的线程奔溃不会造成进程崩溃，因为被虚拟机捕获了）。

举个例子，对于游戏的用户设计，则不应该使用多线程的方式，否则一个用户挂了，会影响其他同个进程的线程。

线程的上下文切换

• 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；

所以，线程的上下文切换相比进程，开销要小很多。

线程的实现

主要有三种线程的实现方式：

• 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；

  • 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
  • 比内核线程更佳的轻量，无需用户态和内核态的切换

• 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；

用户线程和内核线程的对应关系。

• 多对一
• 一对一
• 多对多

用户线程的缺点：

• 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；

以上，就是用户线程的优缺点了。

那内核线程如何理解？存在什么优势和缺陷？

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，如下图所示：

内核线程的优点：

• 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；

内核线程的缺点：

• 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文信息，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；

以上，就是内核线程的优缺点了。

最后的轻量级进程如何理解？

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，而且 LWP 是由内核管理并像普通进程一样被调度。

在大多数系统中，LWP 与普通进程的区别也就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。一般来说，一个进程代表程序的一个实例，而 LWP 代表程序的执行线程，因为一个执行线程不像进程那样需要那么多状态信息，所以 LWP 也不带有这样的信息。

在 LWP 之上也是可以使用用户线程的，那么 LWP 与用户线程的对应关系就有三种：

• 1 : 1，即一个 LWP 对应 一个用户线程；
• N : 1，即一个 LWP 对应多个用户线程；
• M : N，即多个 LWP 对应多个用户线程；

接下来针对上面这三种对应关系说明它们优缺点。先看下图的 LWP 模型：

1 : 1 模式

一个线程对应到一个 LWP 再对应到一个内核线程，如上图的进程 4，属于此模型。

• 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。

N : 1 模式

多个用户线程对应一个 LWP 再对应一个内核线程，如上图的进程 2，线程管理是在用户空间完成的，此模式中用户的线程对操作系统不可见。

• 优点：用户线程要开几个都没问题，且上下文切换发生在用户空间，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。

M : N 模式

根据前面的两个模型混搭一起，就形成 M:N 模型，该模型提供了两级控制，首先多个用户线程对应到多个 LWP，LWP 再一一对应到内核线程，如上图的进程 3。

• 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。

组合模式

如上图的进程 5，此进程结合 1:1 模型和 M:N 模型。开发人员可以针对不同的应用特点调节内核线程的数目来达到物理并行性和逻辑并行性的最佳方案。

进程和线程通信

进程间通信常见方式

• 管道（pipe）：
  • 一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
• 有名管道（namedpipe） ：
  • 有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
• 信号量（semophore） ：
  • 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
• 消息队列（messagequeue）：
  • 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
• 信号（signal）：
  • 通知接收进程某个事件已经发生。如kill
• 共享内存（shared memory）：
  • 共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。
• 套接字（socket）：
  • 网络通信

线程间通信常见方式

• 锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁
• 信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量
• 信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理