操作系统-进程和线程

进程

什么是进程？

进程是操作系统对一个程序运行的管理的抽象和封装，包含了程序运行过程和运行所需资源的管理。

为什么要有进程？

现在我们考虑有一个会读取硬盘文件数据的程序被执行了，那么当运行到读取文件的指令时，就会去从硬盘读取数据，但是硬盘的读写速度是非常慢的，那么在这个时候，如果 CPU 傻傻的等硬盘返回数据的话，那 CPU 的利用率是非常低的。所以，当进程要从硬盘读取数据时，CPU 不需要阻塞等待数据的返回，而是去执行另外的进程。当硬盘数据返回时，CPU 会收到个中断，于是 CPU 再继续运行这个进程。

进程的状态

再来详细说明一下进程的状态变迁：

• 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；
• 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；

如果有大量处于阻塞状态的进程，进程可能会占用着物理内存空间，显然不是我们所希望的，毕竟物理内存空间是有限的，被阻塞状态的进程占用着物理内存就一种浪费物理内存的行为。所以，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到硬盘，等需要再次运行的时候，再从硬盘换入到物理内存。那么，就需要一个新的状态，来描述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。这跟阻塞状态是不一样，阻塞状态是等待某个事件的返回。

• 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；

导致进程挂起的原因不只是因为进程所使用的内存空间不在物理内存，还包括如下情况：

• 通过 sleep 让进程间歇性挂起，其工作原理是设置一个定时器，到期后唤醒进程。
• 用户希望挂起一个程序的执行，比如在 Linux 中用 Ctrl+Z 挂起进程；

进程的控制结构

进程控制块PCB（在内核内存中）

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。

PCB具体信息

• 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。

PCB组织形式

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。

那么，就绪队列和阻塞队列链表的组织形式如下图：

进程的控制

我们熟知了进程的状态变迁和进程的数据结构 PCB 后，再来看看进程的创建、终止、阻塞、唤醒的过程，这些过程也就是进程的控制。

• 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，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。

  创建进程的过程如下：

  • 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；
  • 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；
  • 初始化 PCB；
  • 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；

• 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）。

  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，则应将其所有子进程终止；
  • 将该进程所拥有的全部资源都归还给父进程或操作系统；
  • 将其从 PCB 所在队列中删除；

• 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；

• 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

进程的上下文切换到底是切换什么呢？

• cpu的上下文包括程序计数器和其他寄存器。

• 切换虚拟内存（页表）、打开文件等资源信息的切换。

  这些信息主要保存在进程的PCB控制块（在内核）。

进程上下文切换过程

通常，会把交换的信息保存在进程的 PCB（在内核内存中），当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行，如下图所示：

进程上下文切换场景

• 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；

线程

• 定义

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。进程是对程序运行过程的概括，包括内存及打开文件描述符等资源和运行状态（cpu寄存器和栈），而线程则是共享资源，但运行状态保持独立的进程。

线程上下文切换

这还得看线程是不是属于同一个进程：

• 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。

进程和线程的比较

• 通信

  • 因为线程间共享地址空间，利用数据即可实现通信，所以通信相对简单。
  • 线程虽然通信简单，但需要维持同步状态，

• 切换开销

  进程切换开销较大，进程除了要切换cpu上下文，还要切换虚拟地址空间及打开文件资源信息，其中页表就是完成虚拟地址空间到物理地址的映射，当页表发生切换，那么cpu中用来缓存页表查找信息的快表TLB也会失效，不命中需要重新加载。

• 程序崩溃

​ 线程因为共享虚拟地址空间，所以一个线程崩溃，整个线程都会崩溃，而进程保持相对独立。

调度算法

一旦操作系统把进程切换到运行状态，也就意味着该进程占用着 CPU 在执行，但是当操作系统把进程切换到其他状态时，那就不能在 CPU 中执行了，于是操作系统会选择下一个要运行的进程。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。

调度时机

在进程的生命周期中，当进程从一个运行状态到另外一状态变化的时候，其实会触发一次调度。

比如，以下状态的变化都会触发操作系统的调度：

• 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，操作系统必须选择另外一个进程运行；
• 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；

另外，如果硬件时钟提供某个频率的周期性中断，那么可以根据如何处理时钟中断 ，把调度算法分为两类：

• 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。

调度原则

• 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+阻塞时间+等待时间的总和，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。

调度算法

• 先来先服务调度算法

  

  顾名思义，先来后到，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。FCFS 对长作业有利，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。

• 02 最短作业优先调度算法

  

  它会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。比如，一个长作业在就绪队列等待运行，而这个就绪队列有非常多的短作业，那么就会使得长作业不断的往后推，周转时间变长，致使长作业长期不会被运行。

• 03 高响应比优先调度算法

  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：

  

  如果两个进程的「等待时间」相同时，「要求的服务时间」越短，「响应比」就越高，这样短作业的进程容易被选中运行；
  如果两个进程「要求的服务时间」相同时，「等待时间」越长，「响应比」就越高，这就兼顾到了长作业进程，因为进程的响应比可以随时间等待的增加而提高，当其等待时间足够长时，其响应比便可以升到很高，从而获得运行的机会；

• 04 时间片轮转调度算法

  最古老、最简单、最公平且使用最广的算法就是时间片轮转（Round Robin, RR）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；

  另外，时间片的长度就是一个很关键的点：

  • 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。将

  一般来说，时间片设为 20ms~50ms 通常是一个比较合理的折中值。

• 05 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。

  该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：

  • 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。

    但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。

• 06 多级反馈队列调度算法

  多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法是「时间片轮转算法」和「最高优先级算法」的综合和发展。

  

  来看看，它是如何工作的：

  • 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。