5.1 进程、线程基础知识
- 并行和并发
- 并发：单核处理器交替处理多个任务
- 并行：多核处理器同时处理多个任务
- 现代多核处理器并发和并行共存
- 进程和线程：
- 进程：
- 是资源管理的基本单位，一个进程一个独立的资源
- 创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收系统资源，开销大
- 唯一标识：PCB（process control block）
- 包含如资源占用，进程名称，进程状态等信息
- 父子进程：一个进程 fork 出另一个进程，子进程可以继承父进程所有资源
- 会把主进程的页表复制一份给子进程，两者虚拟空间不同，但物理空间相同，省空间
- 但是子进程页表对应的属性是只读，如果发生写操作，会触发缺页中断，进行物理内存复制，重新映射，并设置为可读写，即写时复制（copy-on-write）
- 子进程通过 PPID 标识父进程
- 孤儿进程：父进程被终止，子进程变成孤儿进程，被 1 号进程管理
- 孤儿进程只有自己被终止才会停，1 号进程不会主动杀死它，因为它可能还在执行任务
- 1 号进程：守护进程，负责系统启动等
- 僵尸进程：子进程退出后等待父进程进行资源回收的状态，如果父进程一直不回收会浪费资源
- 如果父进程直接退出，会交由 1 号进程管理，1 号进程会进行回收
- 可以双 fork，A 进程 fork B 进程，B 进程 fork C 进程，杀死 B 进程，即 A 进程的子进程全交由 1 号进程管理，不用担心僵死进程，且不会破坏 copy on write
- top 命令可以看到 zombie 就是僵死进程
- 线程：
- 程序执行的基本单位，上下文切换比进程快（不需要切换共享部分，如虚拟内存）
- 多个线程共享一个进程的资源
- 主要是堆
- 程序计数器、栈私有，因为每个线程有自己的执行上下文
- 内核级线程：依赖于内核进行管理
- 轻量级进程（LWP）：由内核支持用户线程，每个LWP 和线程一一对应
- 用户级线程：程序管理生命周期，内核不直接参与，比内核线程轻量，无需内核态和用户态切换
- 用户级线程和内核线程可以有：一对一，多对一，多对多的关系
- 对于 C 语言而言，一个线程崩溃会导致所属进程的所有线程崩溃，即程序终止，对 Java 不会，因为虚拟机捕获了
- 因为多个线程共享地址空间，某个线程对地址的非法访问可能导致危险操作，操作系统认为这个很严重，就直接让其崩溃
- 因此游戏不建议使用多线程，否则一个用户挂了，其他用户也会崩溃
- Java 虚拟机如果收到 kill -15，会优雅退出，先进行资源清理
- -9 JVM 也无法捕获恢复，会立刻退出，不优雅
- 状态：
- 创建、就绪、运行、阻塞、结束
- 临界区：一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源，一般通过锁解决
- 进程：
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
- 匿名管道：
- 是特殊文件只存在于内存，没有存在于文件系统中，
- 只存在于父子关系的进程间通信，随着进程的消亡而消亡，
- 如shell 命令中的「
|」
- 有名管道：
- 是一种类型为 p 的设备文件
- 允许无亲缘关系进程间的通信
- 信号量（semophore） ：
- 数据是无格式的字节流
- 一个计数器，表示的是资源个数，通过 P/V操作
- 常作为一种锁机制，确保任何时刻只能有一个进程访问共享资源
- 实现访问的互斥性，或者进程间的同步（同步指多进程按照特定顺序进行执行）
- 信号（signal）：
- 异步通信机制
- 可以在应用进程和内核之间直接交互
- 硬件来源：如键盘 Cltr+C
- 软件来源：如 kill 命令
- 其中
SIGKILL和SIGSTOP是必定停止
- 其中
- 其他信号进程可以按照人为预设：
- 执行默认操作
- 捕捉信号
- 忽略信号
- 消息队列（messagequeue）：
- 保存在内核的「消息链表」
- 消息体是可以用户自定义的数据类型，发送接收保持一致
- 每次数据的写入和读取都需要经过用户态与内核态之间的拷贝过程，会有较大的延迟
- 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。
- 需要注意多进程竞争同个共享资源会造成数据的错乱
- 套接字（socket）：
- 实现不同主机的进程间通信
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
- 互斥方式：同时只有一个线程访问共享资源（A 和 B 不能同时执行）
- 同步方式：线程间顺序可保证（先执行 A，再执行 B）
- 操作：
- P 操作，将 sem-1，如果 < 0，阻塞，是在进入临界区之前
- V 操作，将 sem+1，如果 >= 0，唤醒一个等待中的进程/县城，是在离开临界区后
- 信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理
- 全局变量：多线程共享同进程的资源
用户态和内核态
- 用户态(User Mode) :可以直接读取用户程序的数据。执行某些特殊权限如读写磁盘需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。
- 内核态(Kernel Mode)：几乎可以访问任何资源，权限很高，很危险，所以不能交由程序直接操作。
- 如果没有用户态，所有进程共享系统资源，导致资源冲突很大。
- 两者切换成本较高，需要进行一系列的上下文切换和权限检查
- 切换时机：
- 系统调用：用户态进程主动要求切换，如读取磁盘
- 中断：外围设备如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
- 异常：用户态程序发生异常如缺页异常，会切换到内核态处理。
- 中断和异常处理类似，但是中断来自处理器外部，异常是执行当前指令的结果
锁
死锁
死锁只有同时满足以下四个条件才会发生：
- 互斥条件；
- 该资源同时只能由一个线程持有
- 避免方式：
- 把“独占”资源改成可共享副本（copy-on-write）
- CAS/版本号的乐观锁
- 持有并等待条件；
- 持有的资源在想要获取其他资源时不会释放
- 避免方式：超时放弃资源
- 不可剥夺条件；
- 线程只有在使用完资源后才会释放，其他线程无法抢占
- 避免方式：
- 优先级剥夺（高优先级可以抢占）
- 超时放弃
- 环路等待条件；
- 多个线程获取资源的顺序构成了环形链
- 避免方式：多个线程获取资源顺序相同
利用工具排查死锁问题
如果你想排查你的 Java 程序是否死锁，则可以使用 jstack/jconsole 工具，它是 jdk 自带的线程堆栈分析工具。
什么是悲观锁、乐观锁？
悲观锁：先质疑，悲观锁是修改共享数据前，都要先加锁，防止竞争。
- 互斥锁
- 加锁失败，线程会释放CPU
- 线程会睡眠
- 锁被释放后会被唤醒
- 需要切换到内核态，会有两次线程上下文切换，开销较大
- 加锁失败，线程会释放CPU
- 自旋锁
- 加锁失败，线程会忙等待
- 自旋锁基于 CAS 加了 while 或者睡眠 CPU 的操作而产生自旋的效果，加锁失败会忙等待直到拿到锁
- 用户态完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，开销较小
- 最好是使用 CPU 提供的
PAUSE指令而不是while循环来实现「忙等待」，降低成本。 - 如果单核CPU，可能导致CPU一直空转（需要强占式调度器）
- 高并发锁竞争记录，通常用于写比较多的情况
- 如果确定被锁住的代码执行时间短，采用自旋锁，否则互斥锁
- 上面是锁的最基本处理方式，读写锁中的写锁基于上面中的一个进行实现
乐观锁：先相信，乐观锁是先修改完共享资源，再验证这段时间内有没有发生冲突
- 如果没有，那么操作完成
- 如果有，操作失败，重试
- 适用于读多写少
- 实现方案：
- 版本号：数据修改次数，修改前获取该值，修改时原子确认该值相等才更新
- 时间戳类似，对于 mysql 可以直接使用 mtime
- CAS（compare and swap）：
- 设锁为变量 lock，整数 0 表示锁是空闲状态，整数 pid 表示线程 ID
- CAS(V, E, N)：V 变量值，E 预期值，N 新值，V 等于 E 时更新为 N，如果不等相当于其他线程修改过，放弃更新
- CAS(lock, 0, pid) 如果 lock 为 0，设置 lock 为 pid，表示自旋锁的加锁操作
- CAS(lock, pid, 0) 如果 lock 为 pid，设置 lock 为 0，则表示解锁操作。
- ABA 问题：V 经过两次修改回到了 E，但是当前 pid 认为其没有被修改过
- 和版本号、时间戳配合使用
- 由于一般采用自旋重试等待，可能给 CPU 带来很大的开销
- 版本号：数据修改次数，修改前获取该值，修改时原子确认该值相等才更新
在线文档就是使用乐观锁，否则多人无法同时打开文档
公平锁和非公平锁有什么区别？
- 公平锁 : 锁被释放之后，先申请的线程先得到锁。性能较差一些，因为公平锁为了保证时间上的绝对顺序，上下文切换更频繁。
- 非公平锁：锁被释放之后，后申请的线程可能会先获取到锁，是随机或者按照其他优先级排序的。性能更好，但可能会导致某些线程永远无法获取到锁。