2-进程、线程、协程

1. 进程

1.1 为什么要引入进程

      在早期的单道批处理系统中，内存中仅能有一道程序运行，只有该程序运行结束之后，才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待 I/O 完成。资源利用率很低。

      比如说，我们想在计算机上运行QQ和微信，那么只有将QQ关闭后，才能打开微信在单道批处理系统中。但是在现在的操作系统中，QQ和微信显然不是以这样的方式运行，而是一种宏观上并行执行的方式。

      当多个程序并发执行时，内存中同时存在多道程序，及其代码、数据。那么操作系统如何管理及找到这些数据呢？

      为解决上述问题，完成各程序并发执行，从而引入了进程、进程实体的概念。

1.2 进程的定义

      首先我们介绍一下什么是程序？我们敲的printf("hello world")，便可以看作是程序，程序是指令序列的集合，具有静态性。

      而进程则是正在执行的程序实例，具有动态性。执行程序时，操作系统会创建一个 进程实体 PCB 给运行中的程序。

      在多道批处理系统中，操作系统需要管理及找到各个程序所对应的数据，而进程实体的作用便是用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置，可以使用的资源有哪些等）。

      PCB中包含如下信息：

• 进程描述信息

            进程标识符 PID

            用户表示符 UID

• 进程控制和管理信息

            进程状态

            进程优先级

• 资源分配清单

            程序段指针

            数据段指针

            键盘

            鼠标

• 处理机相关信息

            各种寄存器

1.3 进程的组织

      在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。

      链接方式

      按照进程状态将PCB分为多个队列（如就绪队列、阻塞队列），操作系统持有指向各个队列的指针

      索引方式

       根据进程状态的不同，建立几张索引表操作系统持有指向各个索引表的指针

1.4 进程的特征

       相比于程序，进程有以下特征：

1. 动态性（进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的）
2. 并发性（内存中有多个进程实体，各进程可并发执行）
3. 独立性（进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位）
4. 异步性（各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制”来解决异步问题）
5. 结构性（每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成）

1.5 进程的状态及转化

       在程序执行过程中，有时进程正在被 CPU 处理，有时又需要等待 CPU 服务。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要合理地划分几种状态。

• 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
• 就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
• 运行态：占有 CPU，并在 CPU 上运行
• 阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行
• 终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有地资源、撤销PCB

1.6 进程控制

      进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

      如何实现进程控制？

      用 原语 实现进程控制。用于的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。

      进程控制的原语主要做以下三类工作：

• 更新 PCB 中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从 PCB 恢复运行环境）

            a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志

            b. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境（即保存当前进程执行到行代码、数据是啥等）

            c. 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境（恢复上面保存的数据等，使其可以继续执行）

• 将 PCB 插入合适的队列
• 分配/回收资源

      原语属于特权指令，所以需要从用户态切换到内核态执行，而内核态主要是负责执行操作系统相关的代码，所以每一次切换都需要保存当前进程的上下文，而切换回用户态又需要恢复上下文，这便导致切换代价高。

1.7 进程通信

      进程间通信

2. 线程

      我们引入进程的目的，是为了提高 CPU 的利用率，而线程的引入则是为了进一步提高并发度。

      想必大家在使用 QQ 的时候，都有过这样的场景，一边发文件，一边进行视频。这便是线程在发挥作用，如果没有线程，我们只能发完文件，才能与别人进行视频。

      线程可以看作程序中的一条指令顺序执行流（一条路用于发文件，另一条路用于视频）。

      可以把线程理解为“轻量级进程”。线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

2.1 线程带来的变化

      资源分配、调度：

            传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位。
            引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。

      并发性：

            传统进程机制中，只能进程间并发。

            引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发度。

      系统开销：

            传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大。

            线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小。

            引入线程后，并发所带来的系统开销减小。

2.2 线程的好处

      线程之间能够方便、快速的共享信息。只需要数据复制到共享（全局或堆）变量中即可，而进程间的信息难以共享。由于进程间并未共享内存，因此必须采用 IPC 方式，在进程间进行信息交换。

      创建线程比创建进程通常快10倍甚至更多。

2.3 线程的实现方式

2.3.1 用户级线程

      用户级线程由应用程序通过线程库实现。

      所有的线程线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

      在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明）。

      “用户级线程”就是“从用户视角能看到的线程”。

2.3.2 内核级线程

      内核级线程管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

      “内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”。

2.3.3 组合方式

      操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

      在上图中，该进程由三个用户级线程、两个内核级线程构成。在用户看来，在这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行指向。

2.4 多线程模型

      在组合模型中，同时支持用户级线程核内核级线程，由此由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型问题”。

2.4.1 多对一

      多对一模型：多个用户级线程映射到要给内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

      优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。

      缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可再多核处理机上并行运行。

2.4.2 一对一

      一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程都有与用户级线程同数量的内核级线程。

      优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

      缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

2.4.3 多对多

      多对多模型: n 用户及线程映射到 m 个内核级线程(n>=m)。每个用户进程对应 m 个内核级线程。

       克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

3、协程

       目前，协程也开始逐渐流行起来。比如Golang中开启一个协程即为简单，只需要一个go关键字即可，并且java中也正在计划引入协程。

3.1 协程是什么

       协程（Coroutines）是一种比线程更加轻量级的存在，正如一个进程可以拥有多个线程一样，一个线程可以拥有多个协程。

       协程不是被操作系统内核所管理的，而是完全由程序所控制，也就是在用户态执行。这样带来的好处是性能大幅度的提升，因为不会像线程切换那样消耗资源。

      协程不是进程也不是线程，而是一个特殊的函数，这个函数可以在某个地方挂起，并且可以重新在挂起处外继续运行。所以说，协程与进程、线程相比并不是一个维度的概念。

      什么是协程