進(jìn)程

進(jìn)程的組成

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中分配資源的最小單位。進(jìn)程由 3 個(gè)部分組成，分別是程序代碼、數(shù)據(jù)集、棧和進(jìn)程控制塊（PCB）。

各自的作用如下：

程序代碼：描述了進(jìn)程需要完成的功能。

數(shù)據(jù)集、棧：程序在執(zhí)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)和工作區(qū)。

進(jìn)程控制塊：包含進(jìn)程的描述信息和控制信息，它是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識。

PCB：用來描述和控制進(jìn)程運(yùn)行的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是進(jìn)程能夠獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。（常駐內(nèi)存，存在系統(tǒng)專門開放的PCB塊）

進(jìn)程的狀態(tài)

創(chuàng)建態(tài)，分配PCB塊，插入就緒隊(duì)列，還未申請其他資源

就緒態(tài)，擁有除了CPU以外的資源

運(yùn)行態(tài)，進(jìn)程獲得CPU執(zhí)行權(quán)，正在執(zhí)行

阻塞態(tài)，由于某種原因，位于阻塞狀態(tài)，放棄CPU

終止態(tài)，進(jìn)程結(jié)束后由系統(tǒng)清理并歸還PCB塊

進(jìn)程通信

信號signal：通過向一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程發(fā)送異步事件信號來實(shí)現(xiàn)，如：SIGSTOP、SIGKILL等信號。

管道pipe：在兩個(gè)進(jìn)程之間，可以建立一個(gè)通道，一個(gè)進(jìn)程向通道寫入字節(jié)流，另一個(gè)進(jìn)程從管道讀取字節(jié)流。管道是同步的，當(dāng)進(jìn)程嘗試從空管道讀取數(shù)據(jù)時(shí)，該進(jìn)程會被阻塞，直到有可用數(shù)據(jù)為止。如linux的 | 管線

共享內(nèi)存：通過共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信，一個(gè)進(jìn)程所作的修改對另一個(gè)進(jìn)程可見。

先入先出隊(duì)列FIFO：也稱命名管道，具有支持文件和獨(dú)特 API ，命名管道在文件系統(tǒng)中作為設(shè)備的專用文件存在。而非命名管道在結(jié)束后緩沖區(qū)會被系統(tǒng)回收。

消息隊(duì)列：描述內(nèi)核尋址空間內(nèi)的內(nèi)部鏈接列表。可以按幾種不同的方式將消息按順序發(fā)送到隊(duì)列并從隊(duì)列中檢索消息。每個(gè)消息隊(duì)列由 IPC 標(biāo)識符唯一標(biāo)識。

套接字Socket：提供端到端的雙向通信，可有TCP、UDP的支持。

進(jìn)程同步

臨界資源：指的是一些雖作為共享資源卻又無法同時(shí)被多個(gè)進(jìn)程或線程共同訪問的共享資源。為了對臨界資源進(jìn)行有效的約束，就提出了進(jìn)程間同步的四個(gè)原則

• 空閑讓進(jìn)：資源無占用，允許使用

• 忙則等待：資源被占用，請求進(jìn)程等待

• 有限等待：保證有限等待時(shí)間能夠使用資源，避免其它等待的進(jìn)程僵死

• 讓權(quán)等待：等待時(shí)，進(jìn)程需讓出CPU，也就是進(jìn)程由執(zhí)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)，這也是保證CPU可以高效使用的前提

死鎖

死鎖定義：如果一組進(jìn)程中的每個(gè)進(jìn)程都在等待一個(gè)事件，而這個(gè)事件只能由該組中的另一個(gè)進(jìn)程觸發(fā)，這種情況會導(dǎo)致死鎖。

死鎖的條件：

互斥條件：資源是排他性使用的

保持和等待條件：已擁有資源的進(jìn)程不釋放自己的資源，去申請新的資源

不可搶占條件：進(jìn)程未使用完的資源不能被其他進(jìn)程剝奪

循環(huán)等待：死鎖發(fā)生時(shí)，必存在資源環(huán)形鏈路

處理死鎖策略：

鴕鳥算法（忽略死鎖帶來的影響）

檢測死鎖并恢復(fù)死鎖，死鎖發(fā)生時(shí)對其進(jìn)行檢測，一旦發(fā)生死鎖后，采取行動(dòng)解決問題（分配時(shí)監(jiān)測是否會發(fā)生死鎖，可以通過回滾、搶占、殺死進(jìn)程恢復(fù)死鎖）

通過合理分配資源來避免死鎖（銀行家算法，根據(jù)空閑資源表和資源需求表合理分配資源）

通過破壞死鎖產(chǎn)生的四個(gè)條件之一來避免死鎖

• 破壞互斥條件
• 破壞保持等待條件
• 破壞不可搶占條件
• 破壞循環(huán)等待條件

兩階段加鎖

一種解決方式是使用 兩階段提交(two-phase locking)。顧名思義分為兩個(gè)階段，一階段是進(jìn)程嘗試一次鎖定它需要的所有記錄。如果成功后，才會開始第二階段，第二階段是執(zhí)行更新并釋放鎖。第一階段并不做真正有意義的工作。

如果在第一階段某個(gè)進(jìn)程所需要的記錄已經(jīng)被加鎖，那么該進(jìn)程會釋放所有鎖定的記錄并重新開始第一階段。從某種意義上來說，這種方法類似于預(yù)先請求所有必需的資源或者是在進(jìn)行一些不可逆的操作之前請求所有的資源。

通信死鎖

進(jìn)程 A 給進(jìn)程 B 發(fā)了一條消息，然后進(jìn)程 A 阻塞直到進(jìn)程 B 返回響應(yīng)。假設(shè)請求消息丟失了，那么進(jìn)程 A 在一直等著回復(fù)，進(jìn)程 B 也會阻塞等待請求消息到來，這時(shí)候就產(chǎn)生死鎖。

解決方法：超時(shí)重傳

**進(jìn)程間同步的方法：**消息隊(duì)列、共享存儲、信號量。會在后邊的文章中詳細(xì)介紹這些進(jìn)程間同步的方法

fork進(jìn)程

• fork系統(tǒng)調(diào)用是用于創(chuàng)建進(jìn)程的

• 對于虛擬空間地址來說，子進(jìn)程會拷貝父進(jìn)程的虛擬地址空間。所以，fork后子進(jìn)程的用戶區(qū)與父進(jìn)程的用戶區(qū)相同，也會拷貝內(nèi)核區(qū)內(nèi)容，僅僅是進(jìn)程的 pid不同。

• 在父進(jìn)程中返回子進(jìn)程的ID，在子進(jìn)程中返回0。所以可以通過fork 的返回值來區(qū)分父進(jìn)程與子進(jìn)程

• fork系統(tǒng)調(diào)用無參數(shù)

運(yùn)用了讀時(shí)共享、寫時(shí)拷貝的原則，fork后，父子進(jìn)程共享父進(jìn)程的地址空間（只讀），在父進(jìn)程或者子進(jìn)程進(jìn)行寫指令時(shí)，子進(jìn)程才會復(fù)制一份地址空間，從而使得虛擬地址空間獨(dú)立，在自己的地址空間進(jìn)行寫操作。也就是說，資源的復(fù)制是在需要寫入時(shí)才會進(jìn)行，在此之前，只會以只讀方式進(jìn)行共享。

進(jìn)程類型

前臺進(jìn)程：具有終端，可以和用戶進(jìn)行交互的進(jìn)程

后臺進(jìn)程：不與用戶進(jìn)行交互，優(yōu)先級比前臺進(jìn)程低

守護(hù)進(jìn)程：特殊的后臺進(jìn)程

孤兒進(jìn)程：父進(jìn)程退出后，子進(jìn)程即成為孤兒進(jìn)程，將由**init進(jìn)程（pid為1）**收養(yǎng)

僵尸進(jìn)程：子進(jìn)程的進(jìn)程描述符在子進(jìn)程退出后不會釋放，只有當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用**wait()、waitpid()**獲取子進(jìn)程信息才釋放

線程

線程是操作系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度的最小單位，線程除了擁有自己的棧、程序計(jì)數(shù)器等資源外，共享進(jìn)程的資源。

通信，對于進(jìn)程來說是進(jìn)程間的通信(IPC)，而對于線程，它是通過讀寫同一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。

線程同步

互斥量

• 本質(zhì)上是資源排他性使用，效果相當(dāng)于原子性。擁有兩種狀態(tài)：加鎖和解鎖。（會帶來相關(guān)損耗，阻塞鎖）
  • 自旋鎖：等待獲取資源的時(shí)候CPU不會釋放，優(yōu)點(diǎn)：如果線程占用鎖時(shí)間不長，就能避免上下文切換代價(jià)；缺點(diǎn)：耗費(fèi)CPU時(shí)間
  • 讀寫鎖：讀不進(jìn)行加鎖，寫的時(shí)候進(jìn)行加鎖，對于多讀少寫的情況，性能能有很好的提升

信號量：表示同時(shí)允許訪問資源的最大線程數(shù)量，它是一個(gè)全局變量。（Java的semaphore）

條件變量：利用線程間共享的全局變量進(jìn)行同步的一種機(jī)制，主要包括兩個(gè)動(dòng)作：一個(gè)線程等待某個(gè)條件為真，而將自己掛起；另一個(gè)線程設(shè)置條件為真，并通知等待的線程繼續(xù)。條件變量與互斥量一起使用時(shí)，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發(fā)生。

• 基本動(dòng)作：wait、signal、notify

調(diào)度算法

• 調(diào)度算法的目標(biāo)：

• 先來先服務(wù)：按照FIFO的原則，將作業(yè)加入到就緒隊(duì)列中，按照順序調(diào)度作業(yè)。

• 最短作業(yè)優(yōu)先：按照線程作業(yè)的CPU時(shí)間片，優(yōu)先調(diào)度所需最短CPU時(shí)間片的作業(yè)。

• 最短剩余時(shí)間：最短作業(yè)優(yōu)先的搶占式版本，總是調(diào)度剩余運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)。

• 輪詢調(diào)度：每個(gè)作業(yè)都會被分配一個(gè)CPU時(shí)間片，在這個(gè)時(shí)間片內(nèi)允許進(jìn)程運(yùn)行。如果時(shí)間片結(jié)束時(shí)進(jìn)程還在運(yùn)行的話，則搶占一個(gè) CPU 并將其分配給另一個(gè)進(jìn)程。

• 優(yōu)先級調(diào)度：按照作業(yè)優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度。

• 多級反饋隊(duì)列：設(shè)置多級隊(duì)列，設(shè)置不同優(yōu)先級，并且分配不同的時(shí)間片。

POSIX線程

即線程標(biāo)準(zhǔn)。

線程調(diào)用描述

pthread_create	創(chuàng)建一個(gè)新線程
pthread_exit	結(jié)束調(diào)用的線程
pthread_join	等待一個(gè)特定的線程退出
pthread_yield	釋放CPU來運(yùn)行另外一個(gè)線程
pthread_attr_init	創(chuàng)建并初始化一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)
pthread_attr_destory	刪除一個(gè)線程的屬性結(jié)構(gòu)

線程實(shí)現(xiàn)

在用戶空間實(shí)現(xiàn)線程：

內(nèi)核并不知道線程的存在，以進(jìn)程為單位分配CPU時(shí)間片，每個(gè)進(jìn)程要有專用的線程表。

優(yōu)點(diǎn)：允許每個(gè)進(jìn)程有自己定制的調(diào)度算法、調(diào)度效率比內(nèi)核調(diào)用高（無需陷入內(nèi)核，即上下文切換，無需刷新內(nèi)存高速緩存）

缺點(diǎn)：會因?yàn)樽枞{(diào)用/缺頁中斷阻塞整個(gè)進(jìn)程直到完成

在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)線程

內(nèi)核中會有用來記錄系統(tǒng)中所有線程的線程表，當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)度的時(shí)候，會通過對線程表的更新進(jìn)行調(diào)度。線程表擁有每個(gè)線程的寄存器、狀態(tài)和其他信息。

優(yōu)點(diǎn)：不會因某個(gè)線程阻塞而導(dǎo)致進(jìn)程阻塞

缺點(diǎn)：系統(tǒng)調(diào)用代價(jià)大，上下文切換開銷大，以及需要切換系統(tǒng)狀態(tài)

混合實(shí)現(xiàn)：將用戶級線程與某些或者全部內(nèi)核線程多路復(fù)用起來。編程人員可以自由控制用戶線程和內(nèi)核線程的數(shù)量，具有很大的靈活度。內(nèi)核只識別內(nèi)核級線程，并對其進(jìn)行調(diào)度。其中一些內(nèi)核級線程會被多個(gè)用戶級線程多路復(fù)用。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的程序员不得不学的操作系统知识（二）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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