找工作系列之-操作系统

进程、线程

进程线程定义、区别、通信方式

基本概念

进程是对运行时程序的封装，是系统进行资源调度和分配的的基本单位，实现了操作系统的并发；

线程是进程的子任务，是CPU调度和分派的基本单位，用于保证程序的实时性，实现进程内部的并发；线程是操作系统可识别的最小执行和调度单位。每个线程都独自占用一个虚拟处理器：独自的寄存器组，指令计数器和处理器状态。每个线程完成不同的任务，但是共享同一地址空间（也就是同样的动态内存，映射文件，目标代码等等），打开的文件队列和其他内核资源。

区别

1.一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。

2.进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）

3.进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；

4.系统开销： 由于在创建或撤消进程时，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将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。

5.通信：由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。在有的系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预

6.进程编程调试简单可靠性高，但是创建销毁开销大；线程正相反，开销小，切换速度快，但是编程调试相对复杂。

7.进程间不会相互影响 ；线程一个线程挂掉将导致整个进程挂掉

8.进程适应于多核、多机分布；线程适用于多核

PCB包括哪些内容

1、进程标识符 name
每个进程都必须有一个唯一的标识符，可以是字符串，也可以是一个数字。
2、进程当前状态 status
说明进程当前所处的状态。为了管理的方便，系统设计时会将相同的状态的 进程组成一个队列，如就绪进程队列，等待 进程则要根据等待的事件组成多个等待队列，如等待打印机队列。
3、进程相应的程序和数据地址
以便把PCB与其程序和数据联系起来。
4、进程资源清单
列出所拥有的除CPU外的资源记录，如拥有的I/O设备， 打开的文件列表等。
5、进程优先级 priority
进程的优先级反映进程的紧迫程度，通常由用户指定和系统设置。
6、CPU现场保护区 cpustatus
当进程因某种原因不能继续占用CPU时（如等待打印机），释放CPU，这时就要将CPU的各种状态信息保护起来，为将来再次得到处理机恢复CPU的各种状态，继续运行。
7、进程同步与通信机制
用于实现进程间互斥、同步和通信所需的信号量等。
8、进程所在队列PCB的链接字
根据进程所处的现行状态，进程相应的PCB参加到不同队列中。PCB链接字指出该进程所在队列中下一个进程PCB的首地址。
9、与进程有关的其他信息
如进程记账信息，进程占用CPU的时间等。

通信方式

进程间通信的方式：

进程间通信主要包括管道、系统IPC（包括消息队列、信号量、信号、共享内存等）、以及套接字socket。

1.管道：

管道主要包括无名管道和命名管道:管道可用于具有亲缘关系的父子进程间的通信，有名管道除了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

1.1 普通管道PIPE：

1)它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端

2)它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）

3)它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

1.2 命名管道FIFO：

1)FIFO可以在无关的进程之间交换数据

2)FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。
管道实现

1. 父进程调用pipe函数创建管道，得到两个文件描述符fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。

2. 父进程调用fork创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。

3. 父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。

4. 系统IPC：

2.1 消息队列
用msg实现消息队列
消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标记。 (消息队列克服了信号传递信息少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等特点)具有写权限得进程可以按照一定得规则向消息队列中添加新信息；对消息队列有读权限得进程则可以从消息队列中读取信息；

特点：

1)消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

2)消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。

3)消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

与命名管道相比，消息队列的优势在于，
1、消息队列也可以独立于发送和接收进程而存在，从而消除了在同步命名管道的打开和关闭时可能产生的困难。
2、同时通过发送消息还可以避免命名管道的同步和阻塞问题，不需要由进程自己来提供同步方法。
3、接收程序可以通过消息类型有选择地接收数据，而不是像命名管道中那样，只能默认地接收。

2.2 信号量semaphore

信号量（semaphore）与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

特点：

1)信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。

2)信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。

3)每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。

4)支持信号量组。

2.3 信号signal

信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

2.4 共享内存（Shared Memory）

它使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据得更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等

特点：

1)共享内存是最快的一种IPC，因为进程是直接对内存进行存取

2)因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步

3)信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问

消息队列和管道的区别以及和共享内存相比效率低的原因？
参考
参考

3.套接字SOCKET：

socket也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同主机之间的进程通信。

进程关闭后这些通信方式会不会消失

不会。
进程间通信使用的数据结构:管道、socket、共享内存、消息队列、信号量等，是属于内核级的，一旦创建后就由内核管理，若进程不对其主动释放，那么这些变量会一直存在，除非重启系统。

线程间通信的方式:

临界区：通过多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问；

互斥量Synchronized/Lock：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问

信号量Semphare：为控制具有有限数量的用户资源而设计的，它允许多个线程在同一时刻去访问同一个资源，但一般需要限制同一时刻访问此资源的最大线程数目。

事件(信号)，Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作

多进程和多线程的使用场景

多线程模型主要优势为线程间切换代价较小，因此适用于I/O密集型的工作场景，因此I/O密集型的工作场景经常会由于I/O阻塞导致频繁的切换线程。同时，多线程模型也适用于单机多核分布式场景。

多进程模型，适用于CPU密集型。同时，多进程模型也适用于多机分布式场景中，易于多机扩展。

进程状态转换图

1）创建状态：进程正在被创建

2）就绪状态：进程被加入到就绪队列中等待CPU调度运行

3）执行状态：进程正在被运行

4）等待阻塞状态：进程因为某种原因，比如等待I/O，等待设备，而暂时不能运行。

5）终止状态：进程运行完毕

linux一个进程默认会有几个线程

一个线程默认1M空间，一个进程2G,随意理论上是2048个

进程在Linux系统中有哪些状态

参考

在Linux系统中，一个进程被创建之后，在系统中可以有下面5种状态。进程的当前状态记录在进程控制块的state成员中。

就绪状态和运行状态
就绪状态的状态标志state的值为TASK_RUNNING。此时，程序已被挂入运行队列，处于准备运行状态。一旦获得处理器使用权，即可进入运行状态。

当进程获得处理器而运行时 ，state的值仍然为TASK_RUNNING，并不发生改变；但Linux会把一个专门用来指向当前运行任务的指针current指向它，以表示它是一个正在运行的进程。

可中断等待状态
状态标志state的值为TASK_INTERRUPTIBL。此时，由于进程未获得它所申请的资源而处在等待状态。一旦资源有效或者有唤醒信号，进程会立即结束等待而进入就绪状态。

不可中断等待状态
状态标志state的值为TASK_UNINTERRUPTIBL。此时，进程也处于等待资源状态。一旦资源有效，进程会立即进入就绪状态。这个等待状态与可中断等待状态的区别在于：处于TASK_UNINTERRUPTIBL状态的进程不能被信号量或者中断所唤醒，只有当它申请的资源有效时才能被唤醒。

这个状态被应用在内核中某些场景中，比如当进程需要对磁盘进行读写，而此刻正在DMA中进行着数据到内存的拷贝，如果这时进程休眠被打断（比如强制退出信号）那么很可能会出现问题，所以这时进程就会处于不可被打断的状态下。

停止状态
状态标志state的值为TASK_STOPPED。当进程收到一个SIGSTOP信号后，就由运行状态进入停止状态，当受到一个SIGCONT信号时，又会恢复运行状态。这种状态主要用于程序的调试，又被叫做“暂停状态”、“挂起状态”。

中止状态
状态标志state的值为TASK_DEAD。进程因某种原因而中止运行，进程占有的所有资源将被回收，除了task_struct结构（以及少数资源）以外，并且系统对它不再予以理睬