文章目錄

• • 3. 進程是什么
  • • 3.1 進程包含的東西
    • 3.2 進程狀態
    • • 3.2.1 操作系統常見狀態定義
      • 3.2.1 linux系統狀態定義
    • 3.3 進程的控制
    • • 3.3.1. 執行模式
      • 3.3.2. 進程的創建
      • 3.3.3. 進程的切換時機
      • 3.3.3.4 進程的模式切換
      • 3.3.3.5 進程切換
    • 3.4 操作系統的執行
    • • 3.4.1 無進程內核
      • 3.4.2 在用戶進程內運行
      • 3.4.3 基于進程的操作系統
  • 4. 線程
  • • 4.1 什么是線程
    • 4.2 用戶級和內核級線程
    • 4.3 線程和進程的區別
  • 5. 處理器調度
  • • 5.1 調度分類
    • 5.2 短程調度發生的原因
    • 5.3 單處理器調度和多處理器調度

3. 進程是什么

3.1 進程包含的東西

進程的直觀定義很多

一個正在執行的程序

內分配給處理器并由處理執行的實體

從操作系統管理的角度來說，我們可以把進程視為一組元素組成的實體。
進程的兩個基本元素是程序代碼和與代碼相關的數據集。在進程進行的任何時候，可以用下面的一些元素來描述一個進程。

標識符：進程相關的唯一標識符

狀態：運行時，就緒，阻塞等等

優先級

程序計數器

內存指針：包括程序代碼和進程相關的數據指針

上下文數據：進程執行的時候寄存器中的數據

I/O狀態信息：顯式IO請求，分配給進程的IO設備和被進程使用的文件列表

3.2 進程狀態

3.2.1 操作系統常見狀態定義

執行態：進程正在處理器運行

就緒態：表示進程已在內存中，已經分配到除CPU以外的資源，等CPU調度它時就可以馬上執行了

阻塞態： 進程已在內存中并等待一個事件

阻塞-掛起態：進程已經在外存當中，并且在等待一個事件

就緒-掛起態：進程已經在外存當中，但是只要載入內存中就可以執行

3.2.1 linux系統狀態定義

這里主要看看linux進程的狀態，這一段參考了這里
執行態，可中斷阻塞態，不可中斷阻塞態，停止，僵死態

執行態：R (TASK_RUNNING)，可執行狀態，包括正在cpu執行的和就緒狀態的（就緒表示進程已在內存中，已經分配到除CPU以外的資源，等CPU調度它時就可以馬上執行了）。

可中斷阻塞態：S (TASK_INTERRUPTIBLE)，處于這個狀態的進程因為等待某某事件的發生（比如等待socket連接、等待信號量），而被掛起。這些進程的task_struct結構被放入對應事件的等待隊列中。當這些事件發生時（由外部中斷觸發、或由其他進程觸發），對應的等待隊列中的一個或多個進程將被喚醒。
通過ps -aux命令我們會看到，一般情況下，進程列表中的絕大多數進程都處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態（除非機器的負載很高）。畢竟CPU就這么一兩個，進程動輒幾十上百個，如果不是絕大多數進程都在睡眠，CPU又怎么響應得過來。

不可中斷阻塞態： 與TASK_INTERRUPTIBLE狀態類似，進程處于睡眠狀態，但是此刻進程是不可中斷的。不可中斷，指的并不是CPU不響應外部硬件的中斷，而是指進程不響應異步信號。絕大多數情況下，進程處在睡眠狀態時，總是應該能夠響應異步信號的。否則你將驚奇的發現，kill -9竟然殺不死一個正在睡眠的進程了！于是我們也很好理解，為什么ps命令看到的進程幾乎不會出現TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態，而總是TASK_INTERRUPTIBLE狀態。
而TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態存在的意義就在于，內核的某些處理流程是不能被打斷的。如果響應異步信號，程序的執行流程中就會被插入一段用于處理異步信號的流程（這個插入的流程可能只存在于內核態，也可能延伸到用戶態），于是原有的流程就被中斷了。
在進程對某些硬件進行操作時（比如進程調用read系統調用對某個設備文件進行讀操作，而read系統調用最終執行到對應設備驅動的代碼，并與對應的物理設備進行交互），可能需要使用TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態對進程進行保護，以避免進程與設備交互的過程被打斷，造成設備陷入不可控的狀態。這種情況下的TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態總是非常短暫的，通過ps命令基本上不可能捕捉到

終止態：X (TASK_DEAD - EXIT_DEAD)，退出狀態，進程即將被銷毀

僵死態：Z (TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE)，進程成為僵尸進程，進程在退出的過程中，處于TASK_DEAD狀態。
在這個退出過程中，進程占有的所有資源將被回收，除了task_struct結構（以及少數資源）以外。于是進程就只剩下task_struct這么個空殼，故稱為僵尸。之所以保留task_struct，是因為task_struct里面保存了進程的退出碼、以及一些統計信息。而其父進程很可能會關心這些信息。比如在shell中，$?變量就保存了最后一個退出的前臺進程的退出碼，而這個退出碼往往被作為if語句的判斷條件。當然，內核也可以將這些信息保存在別的地方，而將task_struct結構釋放掉，以節省一些空間。但是使用task_struct結構更為方便，因為在內核中已經建立了從pid到task_struct查找關系，還有進程間的父子關系。釋放掉task_struct，則需要建立一些新的數據結構，以便讓父進程找到它的子進程的退出信息。
父進程可以通過wait系列的系統調用（如wait4、waitid）來等待某個或某些子進程的退出，并獲取它的退出信息。然后wait系列的系統調用會順便將子進程的尸體（task_struct）也釋放掉。子進程在退出的過程中，內核會給其父進程發送一個信號，通知父進程來“收尸”。

3.3 進程的控制

3.3.1. 執行模式

執行模式分為 用戶模式和系統模式（也稱為內核模式，控制模式等）。
處理器如何才能知道他正在什么模式下運行，模式如何變化。
程序狀態字中通常會有一個指示模式的位。該位會因事件的改變而改變，當發生系統調用或者中斷的時候，執行模式會被設置為內核模式。在這些程序執行完成后，會自動將該狀態字復位。

3.3.2. 進程的創建

為新進程分配一個唯一的進程標識符

為進程分配空間

初始化進程控制塊

設置正確的鏈接

創建或擴充其他數據結構

3.3.3. 進程的切換時機

時鐘中斷

I/O中斷

內存失效

系統調用：信號量，I/O操作等

3.3.3.4 進程的模式切換

是指進程因系統調用等從用戶模式進入內核模式，他沒有進行進程的切換，只是需要保存處理器狀態信息的控制部分，包括程序計數器，其他處理器寄存器和棧信息。

3.3.3.5 進程切換

保存處理器的上下文，包括程序計數器和其他寄存器。

更新當前處于運行態進程的進程控制塊，包括把進程的狀態改變為另一狀態（就緒態、阻塞 態、就緒／掛起態或退出態）。還須更新其他相關的字段，包括退出運行態的原因和記賬信息。

把該進程的進程控制塊移到相應的隊列（就緒、在事件‘處阻塞、就緒／掛起）。

選擇另一個進程執行。

更新所選進程的進程控制塊，包括把進程的狀態改為運行態。

更新內存管理數據結構。是否需要更新取決于管理地址轉換的方式。

載入程序計數器和其他寄存器之前的值，將處理器的上下文恢復為所選進程上次退出運行時的上下文

3.4 操作系統的執行

操作系統的執行方式也有多種，常見的有三種

3.4.1 無進程內核

在許多老的操作系統中采用了這種方式，若當前用戶進程發生系統調用或者產生一個中斷，則會保存該進程的模式上下文，控制權轉交給內核。操作系統具有本身控制過程的調用和返回的系統區域與系統棧。操作系統可以完成任何預期的功能并恢復被中斷的進程的上下文，恢復中斷進程的執行或者執行下一個進程。
無論上面什么功能實現，關鍵是這一概念只使用與用戶程序，而操作系統則是在特權模式下單獨運行的實體。

3.4.2 在用戶進程內運行

這個是目前常用的方式，在用戶進程的上下文執行操作系統軟件，在中斷，系統調用發生的時候，處理器cpu處于內核模式，但是不會保存當前進程的上下文，在后面恢復的時候如果還是調度給當前進程的話，那么久不需要進行上下文切換，只需要修改運行模式即可。

3.4.3 基于進程的操作系統

操作系統作為一個獨立的進程執行。

4. 線程

4.1 什么是線程

進程具有如下兩個個特點

資源所有權

調度執行

??這兩個特點是獨立的，因此操作系統應該能夠分別處理他們。現代操作系統為了區分這一點，將cpu調度的基本單位成為線程（或者叫輕量級進程），而將資源所有權的單位成為進程或者任務。

4.2 用戶級和內核級線程

用戶線程和內核線程的對應關系分成三種。

一個進程的所有用戶級線程對應一個內核級線程，這種是純用戶級線程，面對io調用等就不行了，會阻塞整個進程。python就是這樣的

一個進程的每個用戶級線程都對應了一個內核線程，這種就是內核支持的線程或輕量級進程，這種不會有阻塞，但是線程切換的代價大一些，都是在內核態進行切換,java就是這樣的，也是主流

一個進程中m個用戶級線程對應了n個內核級線程，m>n,這種調度起來比較復雜

4.3 線程和進程的區別

線程是進程的一個實體,是CPU調度和分派的基本單位,它是比進程更小的能獨立運行的基本單位.線程自己基本上不擁有系統資源,只擁有一點在運行中必不可少的資源(如程序計數器,一組寄存器和棧),但是它可與同屬一個進程的其他的線程共享進程所擁有的全部資源.

因為上面的原因，線程的切換代價要小的多。

5. 處理器調度

處理器的調度涉及到很多調度算法之類的知識，對于這些東西，我覺得對于工程上實際意義不是很大，在這里只是聊一聊工作中遇到的一些與調度有關聯的優化問題。

5.1 調度分類

長程調度：長程調度決定哪個進程可以進入系統中處理（并不是指cpu下一步去運行他，而是加入可以被cpu進行調度管理的相關隊列當中）

中程調度: 中程調度是進程在內存和磁盤之間的調度（這一塊兒在使用虛擬內存以后實際上交給內存管理模塊了）

短程調度: 被稱為分派程序，在三種調度中是執行的最頻繁的

5.2 短程調度發生的原因

• 時鐘中斷
• I/O中斷
• 操作系統調用
• 信號（如信號量）

5.3 單處理器調度和多處理器調度

cpu綁定：
在處理器進行調度的時候，實際上是有兩種調度的，為了簡化這種討論，我們先假設

只有一個處理器工作。

進程的模型是多線程的，有3個進程A,B,C，每個進程有5個線程（比如A1,A2,A3,A4,A5）

在線程從A1–>A2的時候只發生了線程調度，沒有進程調度，切換上下文的時間較短
如果線程從A1–>B2這個時候發生的則是進程的切換（包含了線程的切換），相對來說代價更大。
在多核處理器當中，調度的基本模型是線程，所以會比這個更復雜。其基本原則肯定是希望將cpu的利用率更高，同時用在切換線程上的代價盡可能的小。

??所以一個進程的多個線程有可能是在不同的處理器上同時運行的，這樣提高了并行的效率。但是對于某些單線程的進程，如果處于阻塞的時機比較少（大多是非阻塞式操作），而且對性能要求比較高的，是可以采取綁定cpu的方式的。比如redis的常規優化中就有將redis進程綁定到某個cpu核上，當然，并不會完全搶占該cpu核(完全搶占是指該cpu只能執行該進程)，但是操作系統的調用會傾向于這么做，也就是進可能的讓該cpu核多的執行該進程，那么這樣的話，redis的效率反而是得到了提升的。可以參看這里

補一張AMD推土機結構，這也是多核cpu的緩存常見處理方案

總結

以上是生活随笔為你收集整理的03.进程和线程.md的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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