进程管理

进程

我们编写的代码只是一个存储在硬盘里的静态文件，通过编译可执行的二进制文件，当运行这个文件时，会被装载到内存中，接着CPU会执行程序中的每一条指令，那么这个运行中的程序，就被称为进程

如果程序中存在读写硬盘文件的代码，那么执行该指令时，由于读写速度很慢，如果CPU要等待读写得到的数据的话，那CPU利用率就是非常低的，所以要想办法在等待时机内去做其他的事，而收到通知后再回来继续，这个通知就是中断

进程的状态

最基本的三个是运行-阻塞-就绪，除此之外还有创建和结束状态

一个完整的进程状态变迁是：

• 一个进程被创建时进入创建状态
• 创建完并完成初始化后，变为就绪状态
• 就绪状态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，进入运行状态
• 进程完成或者出错以后，会被操作系统作结束状态处理
• 处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给的运行时间片用完，重新回到就绪态
• 当进程请求某个事件，遇到阻塞必须等待的时候，例如IO事件，或者等待资源，就会进入阻塞状态
• 当进程等待的事件完成后，会从阻塞状态恢复就绪状态

且通常情况下，如果阻塞状态的进程过多，会占用很大的物理空间，所以一般会将阻塞的进程的物理内存空间移出到硬盘，等需要的时候再从硬盘移入物理内存，这个状态就是挂起，用来描述进程没有占用实际的物理内存空间的情况

• 阻塞挂起

进程在外存并等待某个事件的出现

• 就绪挂起

进程在外存，但只要进入内存即立刻运行

导致进程挂起的原因：

• 进程所使用的内存空间不在物理内存
• 通过sleep让进程间歇性挂起
• 用户用ctrl+z挂起一个程序的进程

创建进程

1. 创建进程

操作系统允许一个进程创建另外一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源

过程如下：

• 申请一个空白的PCB，并向PCB里填入控制和管理进程的信息，比如进程唯一标识等
• 为该进程分配运行时需要的资源，比如内存资源
• 将PCB插入到就绪队列，等待被调用

2. 终止进程

• 正常结束、异常结束以及外界干预（信号kill掉）

当子进程被终止，从父进程处继承来的资源会归还给父进程，而当父进程被终止时，子进程会被变为孤儿进程，会被1号进程收养，并且由1号进程对它们完成状态收集工作

终止进程的过程：

• 查找需要终止进程的PCB
• 如果处于执行状态，则停止进程执行，释放CPU资源
• 如果其有子进程，则将子进程交给1号进程管理
• 将该进程资源全部释放
• 从PCB所在队列中删除

3. 阻塞进程

当进程在等待其余事件时，它可以采用阻塞语句将自己阻塞，而一旦被阻塞等待只能由另外一个进程唤醒

过程如下：

• 找到要被阻塞进程标识号对应的PCB
• 如果该进程为运行状态，则保护现场，将状态转为阻塞状态，停止运行
• 将该PCB插入到阻塞队列

4. 唤醒进程

阻塞态无法自己唤醒自己，所以需要等待其他进程的唤醒

过程如下：

• 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

上下文切换

各个进程之间是共享CPU资源的，在不同的时候进程之间需要切换，让不同的进程可以在CPU执行，这个切换的过程就称为上下文切换

每个任务执行前，CPU需要知道任务从哪里加载，从哪里开始运行，所以操作系统需要帮助CPU设置好CPU寄存器和程序计数器

程序计数器就是用来存储CPU正在执行的指令位置，或者即将执行的下一条指令位置，这些环境就是上下文

即在运行前必须依赖的环境

进程上下文切换

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态

所以，进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈，寄存器等内核空间的资源，通常把交换的信息保存在PCB中，运行另外一个进程时就会把信息从PCB中取出，加载到CPU中

发生场景

• 时间片轮转，时间片耗尽了就进入就绪状态
• 系统资源不足的时候，要等待资源满足后才可以运行，这个时候进程也会进行挂起
• 当进程通过sleep主动挂起，也会重新调度
• 当高优先级的进程运行，则当前进程被挂起
• 发生硬件中断时，也会挂起，执行内核中的中断服务程序

线程

为什么要有线程?那自然是进程有缺点需要满足

比如一个程序，如果有多个操作，例如视频对话，首先需要读取文件，然后再进行解压缩，最后再播放，如果视频比较大，就需要在IO读取部分耗时过久，如果每个进程各执行一个功能，又需要实现进程之间的通信，共享数据，所以会很麻烦，而且维护进程的系统开销比较大

所以为了让实体之间可以并发运行，而且共享相同的地址空间，人们就发明了一个新的实体，线程，可以并发运行而且共享相同的内存空间

线程定义

线程是进程当中的一条执行流程

每个线程各自有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是独立的，而且共享代码段，数据段，解决了通信和数据共享的问题

进程和线程的比较

• 进程是资源分配的单位，线程是CPU调度的单位

• 进程拥有一个完整的资源平台，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空间和时间开销

• 线程的创建耗时少，它不需要像进程一样再去创建需要的一些信息，比如内存管理、文件管理信息等，它们只需要共享这些资源即可

• 线程终止时间比进程快，因为释放的资源少

• 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，意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，而进程切换的时候需要把页表给进行切换，页表切换的开销就会比较大

• 共享了文件和内存，线程之间就不需要通过内核传输数据了

进程的上下文切换

操作系统的任务调度实际上调度的是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存和全局变量等资源

而线程独有的资源就是其栈和寄存器，如果是两个不同进程的线程切换，则和进程上下文切换一样，否则的话只需要切换私有数据，寄存器等数据

线程的实现

• 用户线程

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

在内核中实现的线程，是由内核管理的线程

• 轻量级进程

在内核中支持用户线程