进程和线程基础知识全家桶,30 张图一套带走
Hollis
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2020-07-29 01:06
先来看看一则小故事
“哎哟,难道本文内容是进程和线程?”
正文
进程
并发和并行有什么区别?
进程与程序的关系的类比
进程的状态
运行状态(Runing):该时刻进程占用 CPU; 就绪状态(Ready):可运行,但因为其他进程正在运行而暂停停止; 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;
NULL -> 创建状态:一个新进程被创建时的第一个状态; 创建状态 -> 就绪状态:当进程被创建完成并初始化后,一切就绪准备运行时,变为就绪状态,这个过程是很快的; 就绪态 -> 运行状态:处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后,就分配给 CPU 正式运行该进程; 运行状态 -> 结束状态:当进程已经运行完成或出错时,会被操作系统作结束状态处理; 运行状态 -> 就绪状态:处于运行状态的进程在运行过程中,由于分配给它的运行时间片用完,操作系统会把该进程变为就绪态,接着从就绪态选中另外一个进程运行; 运行状态 -> 阻塞状态:当进程请求某个事件且必须等待时,例如请求 I/O 事件; 阻塞状态 -> 就绪状态:当进程要等待的事件完成时,它从阻塞状态变到就绪状态;
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;
进程的控制结构
PCB 具体包含什么信息呢?
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;
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 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。
每个 PCB 是如何组织的呢?
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。
进程的控制
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;
kill
掉)。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;
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 插入的阻塞队列中去;
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;
进程的上下文切换
在详细说进程上下文切换前,我们先来看看 CPU 上下文切换
进程的上下文切换到底是切换什么呢?
发生进程上下文切换有哪些场景?
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,就会被系统挂起,切换到其它正在等待 CPU 的进程运行; 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
为什么使用线程?
从视频文件当中读取数据; 对读取的数据进行解压缩; 把解压缩后的视频数据播放出来;
播放出来的画面和声音会不连贯,因为当 CPU 能力不够强的时候, Read
的时候可能进程就等在这了,这样就会导致等半天才进行数据解压和播放;各个函数之间不是并发执行,影响资源的使用效率;
进程之间如何通信,共享数据? 维护进程的系统开销较大,如创建进程时,分配资源、建立 PCB;终止进程时,回收资源、撤销 PCB;进程切换时,保存当前进程的状态信息;
实体之间可以并发运行; 实体之间共享相同的地址空间;
什么是线程?
线程的优缺点?
一个进程中可以同时存在多个线程; 各个线程之间可以并发执行; 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源;
当进程中的一个线程奔溃时,会导致其所属进程的所有线程奔溃。
线程与进程的比较
进程是资源(包括内存、打开的文件等)分配的单位,线程是 CPU 调度的单位; 进程拥有一个完整的资源平台,而线程只独享必不可少的资源,如寄存器和栈; 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态,同样具有状态之间的转换关系; 线程能减少并发执行的时间和空间开销;
线程的创建时间比进程快,因为进程在创建的过程中,还需要资源管理信息,比如内存管理信息、文件管理信息,而线程在创建的过程中,不会涉及这些资源管理信息,而是共享它们; 线程的终止时间比进程快,因为线程释放的资源相比进程少很多; 同一个进程内的线程切换比进程切换快,因为线程具有相同的地址空间(虚拟内存共享),这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表,那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换,切换的时候要把页表给切换掉,而页表的切换过程开销是比较大的; 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源,那么在线程之间数据传递的时候,就不需要经过内核了,这就使得线程之间的数据交互效率更高了;
线程的上下文切换
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;
线程上下文切换的是什么?
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;
线程的实现
用户线程(User Thread):在用户空间实现的线程,不是由内核管理的线程,是由用户态的线程库来完成线程的管理; 内核线程(Kernel Thread):在内核中实现的线程,是由内核管理的线程; 轻量级进程(LightWeight Process):在内核中来支持用户线程;
用户线程如何理解?存在什么优势和缺陷?
每个进程都需要有它私有的线程控制块(TCB)列表,用来跟踪记录它各个线程状态信息(PC、栈指针、寄存器),TCB 由用户级线程库函数来维护,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,无需用户态与内核态的切换,所以速度特别快;
由于操作系统不参与线程的调度,如果一个线程发起了系统调用而阻塞,那进程所包含的用户线程都不能执行了。 当一个线程开始运行后,除非它主动地交出 CPU 的使用权,否则它所在的进程当中的其他线程无法运行,因为用户态的线程没法打断当前运行中的线程,它没有这个特权,只有操作系统才有,但是用户线程不是由操作系统管理的。 由于时间片分配给进程,故与其他进程比,在多线程执行时,每个线程得到的时间片较少,执行会比较慢;
那内核线程如何理解?存在什么优势和缺陷?
在一个进程当中,如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞,并不会影响其他内核线程的运行; 分配给线程,多线程的进程获得更多的 CPU 运行时间;
在支持内核线程的操作系统中,由内核来维护进程和线程的上下问信息,如 PCB 和 TCB; 线程的创建、终止和切换都是通过系统调用的方式来进行,因此对于系统来说,系统开销比较大;
最后的轻量级进程如何理解?
1 : 1
,即一个 LWP 对应 一个用户线程;N : 1
,即一个 LWP 对应多个用户线程;N : N
,即多个 LMP 对应多个用户线程;
优点:实现并行,当一个 LWP 阻塞,不会影响其他 LWP; 缺点:每一个用户线程,就产生一个内核线程,创建线程的开销较大。
优点:用户线程要开几个都没问题,且上下文切换发生用户空间,切换的效率较高; 缺点:一个用户线程如果阻塞了,则整个进程都将会阻塞,另外在多核 CPU 中,是没办法充分利用 CPU 的。
M:N
模型,该模型提供了两级控制,首先多个用户线程对应到多个 LWP,LWP 再一一对应到内核线程,如上图的进程 3。优点:综合了前两种优点,大部分的线程上下文发生在用户空间,且多个线程又可以充分利用多核 CPU 的资源。
1:1
模型和 M:N
模型。开发人员可以针对不同的应用特点调节内核线程的数目来达到物理并行性和逻辑并行性的最佳方案。调度
调度时机
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;
,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和阻塞时间总和,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
01 先来先服务调度算法
02 最短作业优先调度算法
03 高响应比优先调度算法
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
。
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;
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
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。
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。
06 多级反馈队列调度算法
「多级」表示有多个队列,每个队列优先级从高到低,同时优先级越高时间片越短。 「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时,立刻停止当前正在运行的进程,转而去运行优先级高的队列;
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;
看的迷迷糊糊?那我拿去银行办业务的例子,把上面的调度算法串起来,你还不懂,你锤我!
银行设置了多个排队(就绪)队列,每个队列都有不同的优先级,各个队列优先级从高到低,同时每个队列执行时间片的长度也不同,优先级越高的时间片越短。 新客户(进程)来了,先进入第一级队列的末尾,按先来先服务原则排队等待被叫号(运行)。如果时间片用完客户的业务还没办理完成,则让客户进入到下一级队列的末尾,以此类推,直至客户业务办理完成。 当第一级队列没人排队时,就会叫号二级队列的客户。如果客户办理业务过程中,有新的客户加入到较高优先级的队列,那么此时办理中的客户需要停止办理,回到原队列的末尾等待再次叫号,因为要把窗口让给刚进入较高优先级队列的客户。
有道无术,术可成;有术无道,止于术
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好文章,我在看❤️
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