漫谈进程和线程

小说:做任务赚钱的app作者:公乙宗龙更新时间:2018-09-26字数:92633

漫谈进程和线程


为了帮助大家理解什么是进程,以厨师做蛋糕为例。厨师做蛋糕,首先需要厨师(CPU),其次,需要食谱(程序)和原料(输入数据),而用原料做蛋糕的一些列动作的总和就是进程。某天厨师正在后厨做着蛋糕,突来听到儿子哭着跑进后厨,说自己被蜜蜂蛰了 ,厨师放下手中工具,并记录下当前做到哪一步了(保存上下文信息) ,然后拿出急救手册,按其中的说明为儿子进行处理(开始另外一个进程)。

进程概览

我们知道文件是对I/O设备的抽象,虚拟存储器是对文件和主存的抽象,指令集是对CPU的抽象,进程是对指令集和虚拟存储器的抽象。如下图所示 。

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进程在内存的逻辑布局

从上可知,进程包括指令集和虚拟存储器。我们着重介绍进程在虚拟存储器中的逻辑布局,它包括用户栈、堆、程序数据和程序代码,其中,用户栈从上往下生长,堆从下往上生长,程序数据和程序代码从可执行文件加载而来,将程序代码改写成汇编指令就是类似于movl、imul、addl等指令。如下图所示

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此时,CPU运行到地址为304的指令, 假设CPU时间片刚好用完,就需要进行进程切换,在进行进程切换之前,需要保护现场,即保存寄存器信息、PC、打开的文件, 代码段地址、数据地址、堆栈信息等,这些信息称为进程的上下文。当操作系统切换到进程时,首先将进程2的上下文信息加载到操作系统中,找到PC,然后接着执行就可以了。

进程控制块(PCB)

进程的上下文信息是以某个数据结构保存在内存中的,而这种数据结构就是PCB。在Linux操作系统中PCB对应的数据结构就是task_struct,它保存着进程的重要信息。

struct task_struct{
  pid_t pid://进程号
  long state;//状态
  cputime_t utime,stime;//cpu在用户态和 核心态下执行的时间
  struct files_struct *files;//打开的文件
  struct   mm_struct  *mm;//进程使用的内存
  ...
}

进程的状态

  • 进程的状态包括新建态、就绪态、等待态、运行态、退出态
  • 流程:首先进程被新建,然后进入到就绪状态,此时,进程并没有进入到运行状态,而是等待CPU调度,如果被CPU调度则进入到运行态,而当时间片用完时,进程从运行态返回到就绪态,而当等待I/O操作时,则由运行态进入阻塞态。需要注意的是:只有运行态的进程拥有CPU,而处于就绪态和等待态的进程只是处于内存,等待CPU调度,因此CPU调度是一个很关键的流程。
    image.png

CPU调度

像上文描述的那样,CPU调度就是到底哪个进程占有CPU,它可以分为非抢占式和抢占式。非抢占式是指调度程序一旦把CPU分配给某一进程后便让它一直运行下去,直到进程完成或发生某件事件而不能运行时,才将CPU分配给其他进程。它适合批处理系统,简单、系统开销小。抢占式是指当一个进程正在执行时,系统可以基于某种策略剥夺CPU给其他进程。剥夺的原则有优先权原则、端进程优先原则、时间片原则,它适用于交互式系统。

  • 评价标准
  1. 公平:合理的分配CPU
  2. 响应时间:从用户输入到产生反映的时间
  3. 吞吐量:单位时间完成的任务数量
  4. 但是这些目标是矛盾的,例如:我们希望前端进程能够快速得到响应,这样一来后端进程就不能得到快速响应。
  • 批处理系统中的调度
  1. 先来先服务(公平、FIFO队列、非抢占式)
  2. 最短作业优先(系统的平均等待时间最短,但是需要预先知道每个任务的运行时间)
  • 交互式调度策略
  1. 轮转,每个进程分配一个固定的时间片,但是定义时间片长度是个问题,假设进程切换一次的开销为1ms,如果时间片太短,那么很多时间都浪费在切换上,例如时间片为4ms,那么20%的时间浪费在切换上;如果时间片太长,浪费时间就减少了,但是最后一个经常等待的时间就非常久,譬如,时间片100ms,浪费的时间1%,假设有50个进程,最后一个需要等待5s。
  2. 静态优先级,给每个进程赋予优先级,优先级高的先执行,优先级低的后执行,但是该方法存在一定问题:低优先级的进程存在被饿死的情况,例如新来的进程的优先级都比原来的高,怎么办呢?我们根据等待时间的增加而调整优先级大小---多级反馈队列
  3. 动态优先级---多级反馈队列,即进程的优先级会随着等待时间的增长而增长。

进程间同步

我们知道,打印机有一个缓存,叫做打印队列,如下图所示,打印队列有5个空格,就是说这个打印队列最多可以容纳5个待打印文件,打印机进程就是消费者,而其他待打印进程是生产者,生产者不断地向队列中放数据,例如:A.java、B.doc等。

  • 临界区:多个进程需要互斥的访问共享资源,共享资源可以是变量、表和文件等,例如打印队列就是共享资源。

  • 当生产者将队列放满时,需要等待消费者;如果消费者把所有文件都打印完了,则需要等待生产者,这就是进程间的同步问题。

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  • 进程间同步的本质
  1. 进程调度是不可控的
  2. 在机器层面,count++,count--并不是原子操作,即一条代码,对应汇编层面多条指令。两者缺一不可,如果进程调度是可控的,那么,即使count++对应多条指令,当执行完第一条指令时,发生CPU切换,进程调度控制接下来的进程还是原来的进程控制CPU。
  • 解决方案
  1. 关闭中断
    缺点:把中断操作(CPU收到时钟中断以后,会检查当前进程的时间片是否用完,用完则切换)开放给应用程序,这是极其危险的事情,例如:当某个程序关闭中断之后,执行完毕之后,忘记打开中断,导致整个系统都终止了。

  2. 用硬件指令来实现锁

boolean TestAndSet(boolean *lock){
  boolean rv = *lock;
  *lock = TRUE;
  return rv;
}

// 使用TestAndSet
boolean lock = false;
do{
  while(TestAndSet(&lock)){
    ...//什么也不做
  }
  临界区
  lock = false;
  剩余区
}while(true);
  • 注意:操作系统会锁住系统总线,防止其他CPU访问内存变量
  • 注意TestAndSet函数中的三条指令是原子执行的
  1. 信号量
  • 信号量S是个整形变量,除了初始化外,有两个操作,wait()、signal()。
  • 为了确保信号量操作,需要用一种原子的方式实现它,操作系统来实现原子性。
wait(S){
  while(S<=0){
  ...//啥也不做
  }
  S--;
}
signal(S){
  S++;
}

//
semaphore mutext = 1;
wait(mutex);
进入临界区
signal(mutex);
剩余区
  1. 不能忙等问题

用硬件指令实现锁的方案和信号量方案都有忙等问题,即某个进程获得了CPU时间片,但是啥事干不了,while(S < = 0){...}

  • 新增进程队列,当发现value<0,将当前队列加入到阻塞队列中,同时,阻塞进程,而不像之前的方法那样无限等待下去
typedef struct{
  int value;
  struct process *list;
} semaphore;

wait(semaphore *s){
  s -> value--;
  if(s->value<0){
  //把当前进程加入到s->list中
  block();
}
signal(semaphore *s){
  s -> value++;
  if(s -> value <=0){
    //从s->list取出一个进程p
    wakeup(p);
  }
}

线程

由于进程之间是相互独立的,所以进程间数据共享只能通过内核实现,开销很麻烦,因此我们提出了线程这个概念。线程之间的数据是共享的;一个进程可以只有一个线程,也可以有多个线程(一个进程至少有一个线程);当一个进程有多个线程时,每个线程都有一套独立的寄存器和堆栈信息,而代码、数据和文件是共享的,如下图所示。

image.png

 

线程的实现

  1. 完全在用户层实现(当用户要执行硬件设备,必须从用户空间到内核空间,这是一种保护措施,保护操作系统不被恶意程序所破坏),线程在应用层实现有一个优点就是线程切换不用内核介入,线程切换会非常的快。也就是说线程的调度策略是自己实现的。但是这里也有一个巨大的缺陷:由于内核只知道进程而不知道线程,那么进程1中的任何一个线程被阻塞,导致进程1中的其他线程也被阻塞

  2. 内核实现线程和用户空间一一对应,可以有效的解决方案一中的缺点,但是由于在内核中实现用户空间相同数量的线程数,开销比较大

  3. 用户空间中多个线程映射到内核中的一个线程,这样一来,内核中的线程就不用创建那么多, 而且阻塞的概率也降低了,这是一种平衡和折中的方式。JVM就是实现了这种方式 。JVM本身就是一个进程,JVM可以创建很多线程,然后对应内核中的线程,内核中的线程调度CPU。


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发布时间:2018-09-26 00:29:51

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