线程和进程

 进程与线程的区别：

• 进程是是计算机系统资源分配和调度的最小单位，进程是指一个内存中运行的应用程序，每个进程都有自己独立的一块内存空间，一个进程中可以启动多个线程。
• 线程是CPU分配和调度的最小单位，一个进程中可以运行多个线程。线程总是属于某个进程，进程中的多个线程共享进程的内存。

 进程的状态与转换：

　   运行状态：进程正在处理机上运行。在单处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。

　　 就绪状态：进程已处于准备运行的状态，即进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行。

       阻塞状态，又称等待状态：进程正在等待某一事件而暂停运行，如等待某资源为可用（不包括处理机）或等待输入/输出完成。即使处理机空闲，该进程也不能运行。

　　 转换的具体步骤：

　　 

 

 

 进程间的通信

　　进程通信是指进程之间的信息交换

　　共享存储的方式，相互通信的进程间存在一块共享空间，通过对这块共享空间的读写操作完成通信，其中操作系统只负责为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，而数据交换则由用户自己安排读/写指令完成。

　　消息传递，进程间的数据交换是以格式化的消息(Message)为单位的，发送进程直接把消息发送给接收进程，并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。

　　管道通信，向管道（共享文件）提供输入的发送进程（即写进程），以字符流形式将大量的数据送入（写）管道；而接收管道输出的接收进程（即读进程），则从管道中接收（读）数据。为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力：互斥、同步和确定对方的存在。

 

 进程或线程同步方式

　　临界区：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

　　互斥量：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。

　　信号量：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。

　　事件（信号）：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

 

进程饥饿现象：

　　在一个动态系统中，资源请求与释放是经常性发生的进程行为．对于每类系统资源，操作系统需要确定一个分配策略，当多个进程同时申请某类资源时，由分配策略确定资源分配给进程的次序。 资源分配策略可能是公平的(fair)，能保证请求者在有限的时间内获得所需资源；资源分配策略也可能是不公平的(unfair)，即不能保证等待时间上界的存在。 在后一种情况下，即使系统没有发生死锁，某些进程也可能会长时间等待．当等待时间给进程推进和响应带来明显影响时，称发生了进程饥饿(starvation)，当饥饿到一定程度的进程所赋予的任务即使完成也不再具有实际意义时称该进程被饿死(starve to death)。

 　　考虑一台打印机分配的例子，当有多个进程需要打印文件时，系统按照短文件优先的策略排序，该策略具有平均等待时间短的优点，似乎非常合理，但当短文件打印任务源源不断时，长文件的打印任务将被无限期地推迟，导致饥饿以至饿死。

　　当等待时间给进程的推进和相应带来明显的影响时，就称发生了进程饥饿。当饥饿到一定程度的进程所赋予的任务即使完成也不再具有实际意义时，称该进程被饿死。

 

进程的调度算法：

　  先到先服务：按请求顺序进行排序，先请求的先调度执行

　　时间片轮转：给线程分配一定的时间片，在时间片内执行，假设没有执行完就上下文切换

　　优先级：给进程分配优先级，按优先级顺序进行线程调度，优先级取决于内存，时间

　　短作业优先：先调度执行时间短的进程

　　多级反馈队列：目前主流的线程调度方式，通过多个队列对应不同优先级线程，将长期需要CPU调度的线程移动到优先级较低的队列中，将IO密集型或线程交互多的线程移动到优先级较低的队列中

 

死锁：

多个进程在运行过程中，争夺资源而导致的僵持，其产生的原因，1，竞争资源：请求同一有限资源的进程数多于可用资源数，2.进程推进顺序非法：进程执行中，请求和释放资源顺序不合理，如资源等待链

死锁产生的必要条件：

　　1.互斥，进程对于获得的资源进行排他性使用

　　2.不可剥夺，在进程申请到的资源直到使用完成前无法被剥夺

　　3.请求和保持，在进程阻塞时并不释放所获取的资源

　　4.环路等待条件：发生死锁的时候存在的一个 进程-资源 环形等待链

 

进程的fork()操作？

　　fork（）会产生一个和父进程完全相同的子进程，但子进程在此后多会exec系统调用，出于效率考虑，linux中引入了“写时复制“技术，也就是只有进程空间的各段的内容要发生变化时，才会将父进程的内容复制一份给子进程。在fork之后exec之前两个进程用的是相同的物理空间（内存区），子进程的代码段、数据段、堆栈都是指向父进程的物理空间，也就是说，两者的虚拟空间不同，但其对应的物理空间是同一个。

　　当父子进程中有更改相应段的行为发生时，再为子进程相应的段分配物理空间，如果不是因为exec(在一个进程里面再执行其他函数，没有exec，说明代码段是相同的)，内核会给子进程的数据段、堆栈段分配相应的物理空间（至此两者有各自的进程空间，互不影响），而代码段继续共享父进程的物理空间（两者的代码完全相同）。而如果是因为exec，由于两者执行的代码不同，子进程的代码段也会分配单独的物理空间。

　　fork（）之后，子进程会复制父进程的线程吗？会？

 

进程的上下文切换：

　　进程既可以在用户空间运行，又可以在内核空间中运行。进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。

　　进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、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状态。

因此，进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存内核态资源（当前进程的内核状态和 CPU 寄存器）之前，需要先把该进程的用户态资源（虚拟内存、栈等）保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。

系统调用：

　　从用户态到内核态的转变，需要通过系统调用来完成。比如，当我们查看文件内容时，就需要多次系统调用来完成：首先调用 open() 打开文件，然后调用 read() 读取文件内容，并调用 write() 将内容写到标准输出，最后再调用 close() 关闭文件。

　　在这个过程中就发生了 CPU 上下文切换，整个过程是这样的： 
　　1、保存 CPU 寄存器里原来用户态的指令位
　　2、为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。 
　　3、跳转到内核态运行内核任务。 
　　4、当系统调用结束后（数据被保存到了进程缓存空间），CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。

　　所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。（用户态-内核态-用户态）

　　不过，需要注意的是，系统调用过程中，并不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。这跟我们通常所说的进程上下文切换是不一样的：进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行；而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

　　所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。系统调用属于同进程内的 CPU 上下文切换。但实际上，系统调用过程中，CPU 的上下文切换还是无法避免的。

进程上下文切换潜在的性能问题

　　根据 Tsuna 的测试报告，每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也正是导致平均负载升高的一个重要因素。

　　另外，我们知道， Linux 通过 TLB（Translation Lookaside Buffer）来管理虚拟内存到物理内存的映射关系。当虚拟内存更新后，TLB 也需要刷新，内存的访问也会随之变慢。特别是在多处理器系统上，缓存是被多个处理器共享的，刷新缓存不仅会影响当前处理器的进程，还会影响共享缓存的其他处理器的进程。

 

发生进程上下文切换的场景

1. 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，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
2. 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。
3. 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。
4. 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
5. 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。

 

线程上下文切换

　　线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所谓内核中的任务调度，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。

　　 所以，对于线程和进程，我们可以这么理解： - 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。 - 另外，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。

 

什么是 CPU（运算器，控制器，寄存器） 上下文

　　CPU 寄存器和程序计数器就是 CPU 上下文，因为它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境。

• CPU 寄存器是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。
• 程序计数器则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。

什么是 CPU 上下文切换

　　就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 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。

　　而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

中断上下文切换

　　为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

　　跟进程上下文不同，中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括 CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。

　　对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级，所以中断上下文切换并不会与进程上下文切换同时发生。同样道理，由于中断会打断正常进程的调度和执行，所以大部分中断处理程序都短小精悍，以便尽可能快的执行结束。

　　另外，跟进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗 CPU，切换次数过多也会耗费大量的 CPU，甚至严重降低系统的整体性能。所以，当你发现中断次数过多时，就需要注意去排查它是否会给你的系统带来严重的性能问题。

单核CPU情况下对多线程任务的影响?

　　为什么有时候线程数超过CPU内核数会更快呢？原因是这种程序的单个线程运算量不足以占满CPU一个内核（比如存在大量IO操作，IO比较慢，是程序瓶颈，这个可以做线程切换让cpu去做其他的事情）。

　　多线程的用处在于，做某个耗时的操作时，需要等待返回结果，这时用多线程可以提高程序并发程度。如果一个不需要任何等待并且顺序执行能够完成的任务，用多线程简直是浪费（因为线程的上下文切换是需要花时间的）。

　　无论是单核还是多核，在确定开启线程的个数的时候还是需要根据我们任务来分的，像IO密集型，可以多开线程，计算密集型少开线程。