进程管理

Posted 2022-11-22 yuanzhijing

1.进程

进程（Process）是计算机已运行程序的实体。

程序本身只是指令的集合，进程才是程序（那些指令）的真正运行。用户下达运行程序的命令后，就会产生进程。同一程序可产生多个进程（一对多关系），以允许同时有多位用户运行同一程序，却不会相互冲突。进程需要一些资源才能完成工作，如CPU使用时间、存储器、文件以及I/O设备，且为依序逐一进行，也就是任何时间内仅能运行一项进程。

通常进程有如下5种状态，其中前3种是进程的基本状态。

1）运行状态（执行窗台）：进程正在处理器上运行。在单处理器环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。
2）就绪状态：进程已处于准备运行的状态，即进程获得了除处理器之外的一切所需资源，一旦得到处理器即可运行。
3）阻塞状态：进程正在被创建，尚未转到就绪状态。
4）结束状态：进程正在从系统消失，可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。

进程的三个基本状态之间是可以相互转换的：
当一个就绪进程获得处理机时，其状态由就绪变为执行；
当一个运行进程被剥夺处理机时，如用完系统分给它的时间片、出现更高优先级别的其他进程，其状态由运行变为就绪；
当一个运行进程因某事件受阻时，如所申请资源被占用、启用I/O传输未完成，其状态由执行变为阻塞；
当所等待事件发生时，如得到申请资源、I/O传输完成，其状态由阻塞变为就绪。如下图所示：

进程与程序的区别：
1）进程是程序及其数据在计算机上的一次运行活动，是一个动态的概念。进程的运行实体是程序、离开程序的进程没有存在的意义。从静态角度看，进程是由程序、数据和进程控制块（PCB）三部分组成的。而程序是一组有序的指令集合，是一种静态的概念。

2）进程是程序的一次执行过程，它是动态地创建和消亡的，具有一定的生命期，是暂时存在的；而程序则是一组代码的集合，它是永久存在的，可长期保存。

3）一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序也可以构成多个进程。进程可创建进程，而程序不可能形成新的程序。

4）进程与程序的组成不同。进程的组成包括程序、数据和进程控制块。

创建新进程时会创建新的地址空间：子进程是父进程的复制品，在fork之后子程序获得父进程的数据空间、堆和栈的复制品，而线程使用当前的地址空间。

2.线程

线程，有时被称为轻量级进程（Lightweight Process, LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针（PC），寄存器集合和堆栈（stack）组成。另外，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的资源。

线程共享的进程环境包括：进程代码段、进程的公有数据（如全局变量，利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通信）、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。线程拥有这许多共性的同时，还拥有自己的个性。有了这些个性，线程才能实现并发性。这些个性包括：
1）线程ID
每个线程都有自己的线程ID，这个ID在本进程中是唯一的。进程用此来标识线程。
2）寄存器组的值
由于线程间是并发运行的，每个线程有自己不同的运行线索，当从一个线程切换到另一个线程上时，必须将原有线程的寄存器集合的状态进行保存，以便将来该线程在被重新切换时能得以恢复。
3）线程的堆栈（stack）
堆栈是保证线程独立运行所必须的。线程函数可以调用函数，而被调用函数中又是可以层层嵌套的，所有线程必须拥有自己的函数堆栈，使得函数调用可以正常执行，不受其他线程的影响。在一个进程的线程共享堆区（heap）。
4）错误返回码
5）线程的信号屏蔽码
6）线程的优先级
一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。

线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。每一个程序都至少有一个线程，若程序只有一个线程，那就是程序本身。

线程是程序中一个单一的顺序控制流程。在单个程序中同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。

引入线程后，进程的内涵发生了改变，进程只作为除CPU以外系统资源的分配单元，线程则作为处理器的分配单元。在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一进程中的线程时，将会引起进程的切换。

问题：线程与进程的区别？
1）调度：在传统操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。引入线程后，线程是独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行的线程切换，则会引起进程切换。

2）拥有资源：不论是传统的还是引入线程的操作系统，进程都是拥有资源的基本单位，线程不拥有资源（也有一点必不可少的资源），但线程可以共享其隶属进程的系统资源。

3）并发性：在引入线程的操作系统中，不仅进程可以并发执行，而且同一进程内的多个线程也是并发执行，从而使操作系统具有更好的并发性，大大提高了系统吞吐量。

4）系统开销：创建和撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等，因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程的开销。类似地，在进程切换时，涉及当前执行进程CPU环境的保存以及新调度的进程CPU环境的设置；而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，因此开销很小。另外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此这些线程之间同步与通信比较容易实现，甚至无需操作系统的干预。

5）地址空间和其他资源（如打开的文件）：进程的地址空间之间相互独立，同一进程的各线程间共享进程的资源，某进程内的线程对于其他进程不可见。

6）通信方面：进程间通信需要借助操作系统，而线程间可以直接读/写进程数据段（如全局变量）来进行通信。

3.进程通信与进程同步

多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源只能为一个进程使用，我们把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。对于临界资源的访问，必须互斥的进行，在每个进程中，访问临界资源的那段代码称为临界区（Critical Section）。

进程通信与同步有如下一些目的：
1）数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程；
2）共享数据：多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到；
3）通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）；
4）资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供锁和同步机制；
5）进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

Linux下进程间通信的几种主要手段简介：
1）管道(Pipe)及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名通信克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；
2）信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；Linux除了支持UNIX早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction；
3）Message（消息队列）：消息队列是消息的链表，包括Posix消息队列System V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
4）共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其他通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。
5）信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。
6）套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不用机器之间的进程间通信。起初是由UNIX系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其他类UNIX系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

Linux线程间通信：互斥体（互斥量），信号量，条件变量。
Windows进程间通信：管道、共享内存、消息队列、信号量、socket。
Windows线程间通信：临界区（Critical Section）、互斥量（Mutex）、信号量（信号灯）（Semaphore）、事件（Event）。

临界区（Critical Section）与互斥体（Mutex）的区别：
1）临界区只能用来同步本进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程：互斥量（Mutex），信号量（Semaphore）、事件（Event）都可以被跨越进程使用来进行同步数据操作。
2）临界区是非内核对象，只在用户态进行锁操作，速度快；互斥体是内核对象，在核心态进行锁操作，速度慢。
3）临界区和互斥体在Windows平台下都可用，Linux下只有互斥体可用。

4.调度算法

调度的基本准则包括CPU利用率、系统吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间等。
系统吞吐量表示单位时间内CPU完成作业的数量。
周转时间为作业完成时刻减去作业到达的时刻。
等待时间是指进程处于等处理器状态的时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。
响应时间是指从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间。
典型调度算法包括：先来先服务算法（FCFS）、短作业优先算法（SJF）、优先级调度算法、高响应优先调度算法、时间片轮算法、多级反馈队列调度算法。其中SJF的平均等待时间、平均周转时间最少。

5.死锁

死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都无法向前推进。现实生活中简单的例子：交通阻塞，两股相向而行的车流都想通过已被对方占用的道路，结果双方都不能前进。

死锁产生的原因：
1）系统资源的竞争
2）进程推进顺序非法

死锁产生的必要条件：
产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。

互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排他性控制，即在一段时间内某资源仅为一个进程所占有。此时若有其他进程请求该资源，则请求进程只能等待。

不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走，即只能由获得该资源的进程自己来释放。

请求和保持条件：又称为部分分配条件。进程每次申请它所需要的一部分资源，在等待新资源的同时，进程继续占有已分配到的资源。

循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中每个进程已获得的资源同时被链中下一个进程所请求。

死锁处理策略：
1）预防死锁：设置某些限制条件，破坏产生死锁的四个必要条件中的一个或几个。
2）避免死锁：在资源的动态分配过程中，用某种方法防止系统进入不安全状态。银行家算法是著名的死锁避免算法。
3）死锁的检测及解除：无须采取任何限制措施，允许进程在运行过程中发生死锁，通过系统的检测机制及时地检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。死锁的检测可利用资源分配图来描述。死锁的解除主要方法如下：
（1）资源剥夺法；
（2）撤销进程法；
（3）进程回退法。