操作系統(tǒng)

進(jìn)程

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位略板，目的是為了更好地描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行毁枯。

進(jìn)程特征

進(jìn)程狀態(tài)

進(jìn)程控制

進(jìn)程的創(chuàng)建

過程：

• 為新進(jìn)程分配一個唯一的進(jìn)程標(biāo)識號灯蝴，并申請一個空白的 PCB恢口，若申請失敗則創(chuàng)建失敗。

• 為新進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)分配內(nèi)存空間穷躁，若資源不足會進(jìn)入阻塞態(tài)耕肩。

• 初始化 PCB因妇，主要包括標(biāo)志信息、處理機(jī)狀態(tài)信息猿诸、以及設(shè)置進(jìn)程優(yōu)先級等婚被。

• 若進(jìn)程就緒隊(duì)列未滿，就將新進(jìn)程插入就緒隊(duì)列梳虽，等待被調(diào)度運(yùn)行址芯。

進(jìn)程的終止

進(jìn)程終止包括：正常結(jié)束，表示進(jìn)程已經(jīng)完成并準(zhǔn)備退出窜觉；異常結(jié)束谷炸，表示進(jìn)程在運(yùn)行時發(fā)生異常，程序無法繼續(xù)運(yùn)行禀挫，例如非法指令旬陡，IO 故障等；外界干預(yù)语婴，指進(jìn)程因?yàn)橥饨缯埱蠖K止描孟，例如操作系統(tǒng)干預(yù)等。

過程：

• 根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識符砰左，檢索 PCB匿醒，讀出該進(jìn)程的狀態(tài)。
• 若被終止的進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)缠导，終止執(zhí)行青抛，將處理機(jī)資源分配給其他進(jìn)程。
• 若進(jìn)程還有子進(jìn)程酬核，將所有子進(jìn)程終止蜜另。
• 將該進(jìn)程的全部資源歸還給父進(jìn)程或操作系統(tǒng)，并將 PCB 從隊(duì)列刪除嫡意。

進(jìn)程的阻塞與喚醒

正在執(zhí)行的進(jìn)程由于等待的事件未發(fā)生举瑰，由系統(tǒng)執(zhí)行阻塞原語，由運(yùn)行態(tài)變?yōu)樽枞麘B(tài)蔬螟。

阻塞過程：

• 找到將要被阻塞進(jìn)程的 PCB此迅。
• 如果進(jìn)程為運(yùn)行態(tài)，保護(hù)現(xiàn)場并轉(zhuǎn)為阻塞態(tài)旧巾，停止運(yùn)行耸序。
• 把 PCB 插入相應(yīng)事件的等待隊(duì)列，當(dāng)被阻塞進(jìn)程期待的事件發(fā)生時鲁猩，由相關(guān)進(jìn)程調(diào)用喚醒原語坎怪，將進(jìn)程喚醒。

喚醒過程：

• 在該事件的等待隊(duì)列中找到進(jìn)程對應(yīng)的 PCB廓握。
• 將其從等待隊(duì)列中移除搅窿，設(shè)置狀態(tài)為就緒態(tài)嘁酿。
• 將 PCB 插入就緒隊(duì)列，等待調(diào)度程序調(diào)度男应。

進(jìn)程切換

進(jìn)程切換是指處理機(jī)從一個進(jìn)程的運(yùn)行轉(zhuǎn)到另一個進(jìn)程上運(yùn)行闹司。

進(jìn)程切換過程：

• 保存處理機(jī)上下文，包括程序計數(shù)器和其他寄存器沐飘。
• 更新 PCB 信息游桩，并把 PCB 移入相應(yīng)的阻塞隊(duì)列。
• 選擇另一個進(jìn)程執(zhí)行并更新其 PCB耐朴。
• 更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)众弓，恢復(fù)處理機(jī)上下文。

進(jìn)程通信?

管道通信

Linux 里的 | 就是一個管道隔箍，功能是將前一個命令的輸出作為后一個命令的輸入谓娃。

管道通信中存儲空間是內(nèi)核緩沖區(qū)，只允許一邊寫蜒滩、另一邊讀滨达，只要緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，進(jìn)程就能讀出俯艰。寫進(jìn)程會先將緩沖區(qū)寫滿才讓讀進(jìn)程讀捡遍，當(dāng)緩沖區(qū)還有數(shù)據(jù)時，寫進(jìn)程不會往緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)竹握。因此管道是半雙工通信画株，效率低，不適合進(jìn)程間頻繁交換數(shù)據(jù)啦辐。

消息隊(duì)列

消息隊(duì)列是保存在內(nèi)核中的消息鏈表谓传，消息的發(fā)送方和接收方要約定好消息體的數(shù)據(jù)類型，每個消息體都是固定大小的存儲塊芹关，不像管道是無格式的字節(jié)流续挟。如果進(jìn)程從消息隊(duì)列中讀取了消息體，內(nèi)核就會把這個消息體刪除侥衬。消息隊(duì)列的通信效率高于管道诗祸，進(jìn)程發(fā)送消息時，把數(shù)據(jù)放在消息隊(duì)列后就可以正常返回轴总。

消息隊(duì)列不適合較大數(shù)據(jù)的傳輸直颅，因?yàn)閮?nèi)核中每個消息體都有最大長度限制。此外怀樟，消息隊(duì)列通信存在數(shù)據(jù)拷貝開銷功偿，進(jìn)程寫數(shù)據(jù)到消息隊(duì)列時，會發(fā)生從用戶態(tài)拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核態(tài)的過程漂佩，讀取數(shù)據(jù)時脖含，會發(fā)生從內(nèi)核態(tài)拷貝數(shù)據(jù)到用戶態(tài)的過程罪塔。

共享內(nèi)存

共享內(nèi)存解決了消息隊(duì)列中用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)間的數(shù)據(jù)拷貝問題投蝉，將虛擬地址空間映射到相同的物理內(nèi)存养葵，當(dāng)某個進(jìn)程寫數(shù)據(jù)時，另一個進(jìn)程馬上就能看到瘩缆，不需要拷貝关拒，提高通信效率。

線程

線程是進(jìn)程中的一個實(shí)體庸娱，是操作系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分配的基本單位着绊，由線程 ID、程序計數(shù)器熟尉、寄存器集合和堆棧組成归露。引入線程是為了減少程序并發(fā)執(zhí)行的開銷，進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性能斤儿。

線程和進(jìn)程的區(qū)別?

調(diào)度：進(jìn)程是分配資源的基本單位剧包，而線程是獨(dú)立調(diào)度的基本單位。

資源：進(jìn)程擁有系統(tǒng)資源往果，而線程只有一點(diǎn)運(yùn)行必需的資源疆液。如果線程也是分配資源的單位，切換就需要較大開銷陕贮，引入沒有意義堕油。

開銷：進(jìn)程切換涉及當(dāng)前 CPU 環(huán)境的保存和設(shè)置，但線程切換只需要保存和設(shè)置少量的寄存器容量肮之。

地址空間：進(jìn)程的地址空間互相獨(dú)立掉缺，同一進(jìn)程的線程共享進(jìn)程資源，進(jìn)程內(nèi)的線程對其他進(jìn)程不可見戈擒。

通信：進(jìn)程通信需要同步和互斥手段的輔助攀圈，保證數(shù)據(jù)一致性。線程可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段（全局變量）來進(jìn)行通信峦甩。

線程實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核級線程 1:1 實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核通過操縱調(diào)度器對線程進(jìn)行調(diào)度赘来，并將線程的任務(wù)映射到處理器上。程序一般不會直接使用內(nèi)核線程凯傲，而是使用內(nèi)核線程的一種高級接口犬辰，輕量級進(jìn)程，即通常意義上的線程冰单。

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)一個線程被阻塞時幌缝，允許其他線程繼續(xù)執(zhí)行。

缺點(diǎn)：代價相對較高诫欠，需要在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)來回切換涵卵。

用戶級線程 1:N 實(shí)現(xiàn)

從廣義上講浴栽，一個線程只要不是內(nèi)核線程，就可以認(rèn)為是用戶線程轿偎。狹義上的用戶線程指的完全建立在用戶空間的線程庫上典鸡，系統(tǒng)內(nèi)核不能感知到用戶線程的存在及其是如何實(shí)現(xiàn)的。

優(yōu)點(diǎn)：由于線程管理在用戶空間進(jìn)行坏晦，不需要切換到內(nèi)核態(tài)萝玷，開銷小，支持大規(guī)模并發(fā)昆婿。

缺點(diǎn)：一個線程在使用內(nèi)核服務(wù)時被阻塞球碉，整個進(jìn)程都會被阻塞。

混合方式 N:M 實(shí)現(xiàn)

混合模式下既存在用戶線程仓蛆，也存在輕量級進(jìn)程睁冬。用戶線程完全建立在用戶空間中，因此開銷依然很小看疙，可以支持大規(guī)模并發(fā)豆拨。輕量級進(jìn)程作為用戶線程和內(nèi)核線程之間的橋梁，使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度功能及處理器映射狼荞，降低整個進(jìn)程阻塞的風(fēng)險辽装。

死鎖?

死鎖就是指多個進(jìn)程因?yàn)榛ハ喔偁庂Y源而造成的一種互相等待的僵局，若無外力作用相味，這些進(jìn)程都無法繼續(xù)向前推進(jìn)拾积。

死鎖的原因

不可剝奪資源數(shù)量的不足，如打印機(jī)丰涉，對可剝奪資源的競爭不會造成死鎖拓巧。

進(jìn)程請求和釋放資源的順序不當(dāng)，例如進(jìn)程 P1 和 P2 分別占用資源 R1 和 R2一死，而此時 P1 和 P2 又分別申請資源 R2 和 R1肛度。

信號量的使用不當(dāng)，進(jìn)程間彼此互相等待對方發(fā)來的消息投慈，也會使進(jìn)程無法推進(jìn)承耿。

必要條件

互斥條件：進(jìn)程對資源的占有具有排它性，如果進(jìn)程請求的資源已被占用伪煤，請求就會被阻塞加袋。

不可剝奪條件：進(jìn)程獲得的資源沒有使用完成前，不能被其它進(jìn)程強(qiáng)行獲取抱既，只能由占有它的進(jìn)程主動釋放职烧。

請求和保持條件：進(jìn)程已經(jīng)保持了至少一個資源，但又提出了新的資源請求，而該資源已被其它進(jìn)程占有蚀之，此時請求被阻塞蝗敢，但進(jìn)程也不會釋放自己已經(jīng)占有的資源。

循環(huán)等待條件：存在一個進(jìn)程資源的循環(huán)等待鏈足删，鏈中每個進(jìn)程已經(jīng)占有的資源同時是其他進(jìn)程請求的資源寿谴。

死鎖處理

預(yù)防

• 破壞互斥條件

  允許系統(tǒng)資源共享，但有的資源不可能同時訪問壹堰，如打印機(jī)等臨界資源拭卿。

• 破壞不可剝奪條件

  允許剝奪其他進(jìn)程已占有的資源骡湖，但釋放已獲得的資源可能會造成前一段工作的失效贱纠。

• 破壞請求和保持條件

  采用預(yù)先資源分配法，在進(jìn)程運(yùn)行前一次性分配它需要的所有資源响蕴，缺點(diǎn)是有些資源可能僅在運(yùn)行初期或快結(jié)束時才使用谆焊。

• 破壞循環(huán)等待條件

  采用順序資源分配法， 給系統(tǒng)資源編號浦夷，規(guī)定每個進(jìn)程必須按編號遞增的順序請求資源辖试。

避免

同樣屬于事先預(yù)防，但并不是事先采取某種限制措施劈狐，而是動態(tài)地根據(jù)情況處理罐孝。

• 系統(tǒng)安全狀態(tài)

  不安全狀態(tài)可能會導(dǎo)致死鎖，如果一次分配不會導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)肥缔，則將資源分配給進(jìn)程莲兢，否則就讓進(jìn)程等待。

  安全狀態(tài)是指系統(tǒng)能按照某種進(jìn)程推進(jìn)順序?yàn)槊總€進(jìn)程分配資源续膳，直到滿足每個進(jìn)程對資源的需求改艇。

• 銀行家算法

  把操作系統(tǒng)視為銀行家，資源視為資金坟岔，進(jìn)程向操作系統(tǒng)申請資源相當(dāng)于用戶向銀行家貸款谒兄。操作系統(tǒng)按照規(guī)則為進(jìn)程分配資源，當(dāng)進(jìn)程首次申請資源時社付，要測試系統(tǒng)現(xiàn)存資源能否滿足其最大需求量承疲，可以則按申請量分配，否則推遲分配鸥咖。

  當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行中繼續(xù)申請資源時燕鸽，先測試該進(jìn)程已占有的資源數(shù)與申請的資源數(shù)之和是否超過該進(jìn)程對資源的最大需求量，如果超過則拒絕分配扛或，否則再測試系統(tǒng)現(xiàn)存的資源能否滿足該進(jìn)程尚需的最大資源量绵咱，如果滿足則按申請量分配，否則推遲分配。

檢測

系統(tǒng)死鎖可用資源分配圖描述悲伶，圓圈表示進(jìn)程艾恼，框表示資源。從進(jìn)程到資源的有向邊是請求邊麸锉，從資源到進(jìn)程的邊是分配邊钠绍。

簡化資源分配圖可以檢測系統(tǒng)狀態(tài)是否為死鎖狀態(tài)。在資源分配圖中花沉，找出既不阻塞也不孤立的進(jìn)程柳爽，消去它的所有請求邊和分配邊，使之成為孤立的點(diǎn)碱屁。如果系統(tǒng)狀態(tài)不可被完全簡化磷脯，那么代表死鎖。

解除

• 資源剝奪法

  掛起某些死鎖進(jìn)程娩脾，搶占其資源赵誓，分配給其它死鎖進(jìn)程。

• 撤銷進(jìn)程法

  強(qiáng)制撤銷部分甚至全部死鎖進(jìn)程柿赊，可以按進(jìn)程優(yōu)先級和撤銷代價進(jìn)行俩功。

• 進(jìn)程回退法

  讓一個或多個進(jìn)程回退到足以避免死鎖的地步，要求系統(tǒng)保持進(jìn)程的歷史信息碰声，設(shè)置還原點(diǎn)诡蜓。