进程管理-基础知识
进程和线程的区别是什么？并行和并发的区别是什么？进程的状态有哪些？
进程
进程状态
- 运行状态：进程正在占用CPU；
- 就绪状态：可运行，由于等待CPU时间片；
- 阻塞状态：进程正在等待某一时间的发生而暂时停止运行，这个时候即使给它CPU控制权也不能运行；
- 创建状态：进程正在被创建时的状态；
- 结束状态：进程正在从系统中消失时的状态；
为了避免被阻塞的进程一直占用物理内存造成资源浪费，操作系统通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到磁盘，等需要再次运行的时候，再从磁盘换入到物理内存；
- 阻塞挂起状态：进程在磁盘中，并等待某个事件的出现；
- 就绪挂起状态：进程在磁盘中，并且只要进入内存就立即运行；
导致进程被挂起的原因有：
- 进程所使用的内存空间不在物理内存，而在磁盘中；
- 通过sleep让进程间歇性挂起；
- 用户通过
Ctrl+Z挂起一个程序的执行；
进程控制
操作系统中，通过进程控制块（PCB）数据结构来描述进程；PCB是进程的唯一标识；PCB包含以下信息：
- 进程描述信息
- 进程标识符：每个进程都有一个并且唯一的表示符；
- 用户标识符：标识进程所属的用户，用于共享和保护；
- 进程控制和管理信息
- 进程当前的状态：运行/就绪/阻塞/创建/结束；
- 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者虚拟地址空间的信息，打开的文件列表以及使用的I/O设备信息；
- CPU相关信息
- CPU中各个寄存器的值，当进程切换的时候，CPU的状态信息会保存在相应的PCB中，用于上下文切换；
PCB是怎么组织和控制的？
- 通过链表的方式组织，把具有相同状态的进程链接在一起，组成队列；
- 所有处于就绪状态的进程链接在一起组成就绪队列；
- 所有处于阻塞状态的进程链接在一起组成阻塞队列；
进程是怎么控制的？
- 创建进程
- 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；
- 为进程分配运行时所需要的资源，如内存资源；
- 将PCB插入到就绪状态，等待被调度；
- 终止进程
- 查找需要终止进程的PCB；
- 如果进程处于执行状态，则立即终于进程的运行，并将CPU资源分配给其他进程；
- 如果该进程有其他的子进程，则将子进程交给1号进程接管；
- 将该进程的所有资源归还给操作系统；
- 将其从PCB所在队列中删除；
- 阻塞进程
- 找到将要被阻塞进程标识号对应的PCB；
- 如果进程正在运行，则保护现场，并将状态转为阻塞态，停止运行；
- 将PCB插入到阻塞队列中；
- 唤醒进程
- 在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除，并将状态改为就绪状态；
- 将PCB插入到就绪状态中，等待系统调度运行；
进程的创建
- 操作系统运行程序的第一件事是将代码和所有的静态数据加载（load）到内存中，加载到进程的地址空间中。
- 为程序的运行时栈，分配一些内存。C程序使用栈存放局部变量，函数参数，返回值。操作系统分配这些内存，并提供给进程。
- 操作系统也可能为程序的堆分配一些内存。
- 操作系统还将执行一些其他初始化任务，比如输入/输出相关的任务。
进程上下文切换
将进程的上下文信息保存到进程的PCB，当要运行另一个进程的时候，先从这个进程的PCB中取出上下文信息，恢复到CPU中，从而使得这个进程可以继续运行；
进程上下文包含：
- 虚拟内存，栈，全局变量等用户空间的资源；
- 内核堆栈，寄存器等内核空间资源；
进程上下文切换场景：
- 当某个进程的时间片用完时，进程从运行状态转换为就绪状态，系统从就绪队列选择另一个进程运行；
- 当系统资源不足时，要等到资源满足后才可以运行，此时进程被挂起，操作系统调度其他进程运行；
- 当进程通过睡眠函数sleep方法将自己主动挂起时，操作系统调度其他进程；
- 当优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程被挂起，运行高优先级进程；
- 当发生硬件中断时，CPU上的进程被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；
线程
- 线程是进程中的一条执行流程，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间；
- 同一个进程内多个线程可以共享代码段，数据段，打开的文件等资源；
- 每个线程各自有一套独立的寄存器和栈，用来确保线程的控制流是相对独立的；
线程崩溃导致进程崩溃
线程比进程开销小
- 线程的创建时间比进程的快
- 进程在创建过程中需要资源管理信息，如内存管理信息，文件管理信息；
- 进程在创建过程中不涉及资源管理信息，而是共享它们；
- 线程的终止时间比进程的快
- 线程释放的资源比进程释放的资源少很多；
- 同一个进程的线程切换比进程切换快
- 进程在切换的时候，需要切换页表；
- 线程具有相同的虚拟地址空间，同一个进程的线程都具有同一个页表，切换时不需要切换页表；
- 同一个进程的各线程之间共享内存和文件资源
- 线程之间传递数据不需要经过内核，交换数据的效率更高；
进程的上下文切换
- 当两个线程不属于同一个进程的时候，上下文切换过程同进程的上下文切换过程；
- 当两个线程属于同一个进程的时候，虚拟内存这样的资源保持不动，只切换线程的私有数据，寄存器这些不共享的资源；
线程的实现
- 用户线程
- 内核线程
- 轻量级进程
用户线程
基于用户态的线程库实现，线程控制块也是在库中实现，对于操作系统而言看到这个线程控制块，只能看到整个进程的PCB；用户线程的整个线程的调度和管理，操作系统不直接参与，而是由用户级线程库来完成；
优点：
- 线程控制块由用户级线程库函数完成，可用于不支持线程技术的操作系统；
- 用户线程的切换也是由线程库函数来完成的，不需要用户态与内核态的切换，所以速度比较快；
缺点：
- 由于操作系统不参与线程的调度，当一个线程发起系统调用而阻塞，进程包含的其他用户线程也都不能执行了；
- 当一个线程开始运行后，除非它主动交出CPU使用权，否则他所在的进程当中的其他线程不能运行，因为用户态线程不能打断当前运行中的线程；
- 由于时间片分给进程，所以多线程执行的时候，每个线程得到的时间片比较少，执行会比较慢；
内核线程
由内核直接管理，每个线程对应一个内核调度实体；线程的创建/切换需要通过系统调用，需要内核的参与；
优点：
- 多核下同一进程的线程可并发执行；
- 线程阻塞不会影响其他线程；
缺点：
- 线程切换设计内核态切换，开销比较大；
- 每个线程需要独立的内核栈和TCP；
轻量级进程
轻量级进程（LWP）是建立在内核之上并由内核支持的用户线程，它是内核线程的高度抽象，每个轻量级进程都与一个特定的内核线程关联；本质是用户线程，所以轻量级线程可以共享地址空间，打开的文件等；并且与内核进程相关联，所以每个轻量级进程都可以作为独立单元由内核独立调度；
线程与进程之间的区别
- 线程是调度的基本单位，进程是资源调度的基本单位；
调度
进程的调度一般会有几个考虑因素，没有十全十美的调度算法，每个调度算法都有优缺点，根据应用场景的不同，选择合适的调度算法；
Linux系统：
- 默认采用完全公平调度器（CFS），基于红黑树动态管理进程的虚拟运行时间，优先调度累计CPU时间较少的进程；
- 实时任务支持两种策略：
- SCHED_FIFO：严格按优先级抢占，高优先级任务独占CPU直到完成；
- SCHED_RR：相同优先级任务按时间片轮转，避免饥饿；
Windows系统;
- 结合优先级调度和多级反馈队列，进程分为0-31优先级级别，动态调整优先级避免低优先级任务饥饿；
- 普通进程采用时间片轮转，实时任务可以抢占CPU控制权；
调度算法分类
- 抢占式调度算法：选择一个进程，只让该进程运行一个时间段，如果时间段结束时该进程还在运行，则会把该进程挂起，接着调度程序从就绪队列中挑选另一个进程运行，抢占式调度算法依赖时钟中断；
- 时间片轮转算法
- 优先级调度算法
- 多级反馈队列算法
- 非抢占式调度算法：选择一个进程，让这个进程运行直到被阻塞，或者直到退出才会调用另一个进程，非抢占式调度算法不依赖时钟中断；
- 先来先服务算法
- 短作业优先算法
- 高响应比优先算法
调度原则
- CPU利用率：CPU执行非空闲任务的时间占总时间的百分比；CPU繁忙时间比上总时间；
- 系统吞吐量：单位时间内完成的进程或事务数量；
- 周转时间：进程从提交到完成的总时间，包括运行，等待，阻塞时间；
- 等待时间：进程在就绪队列中的累计等待时间，不包含阻塞时间；
- 响应时间：用户请求到系统首次相应的时间间隔；
调度算法
- 先来先服务调度算法
- 最短作业优先调度算法
- 高响应比优先调度算法
- 时间片轮转调度算法
- 最高优先级调度算法
- 多级反馈队列调度算法
先来先服务算法
每次从就绪队列中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；
- 对长作业有利，适用于CPU繁忙型作业的系统
- 不适用于短作业，不适用于I/O繁忙型系统
最短作业优先调度算法
优先选择运行时间最短的进程来运行；
运行之前怎么知道进程的运行时间？？？
高响应比优先调度算法
每次进行进程的调度时，先计算响应比优先级，然后选择优先级最高的进程运行；
优先权 = （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间
- 如果两个进程的等待时间相同，那么要求服务时间越短，响应比就越高，优先运行短作业进程；
- 如果两个进程的要求服务时间相同，那么等待时间越长，响应比就越高，使得长作业进程得以运行；