進(jìn)程和線程
進(jìn)程
進(jìn)程即是操作系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行程序的一種抽象，操作系統(tǒng)需要識(shí)別運(yùn)行的程序以及分配內(nèi)存空間等，實(shí)現(xiàn)的方式也就是進(jìn)程，通俗的說(shuō)法就是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位。
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進(jìn)程的組成
組成元素：進(jìn)程（進(jìn)程實(shí)體）由程序段、數(shù)據(jù)段、PCB（進(jìn)程控制塊）三部分組成。
同一個(gè)程序多個(gè)進(jìn)程的代碼段是共享的
進(jìn)程的特征
獨(dú)立性：進(jìn)程是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，具有獨(dú)立的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源，不會(huì)被其他進(jìn)程干擾。
動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、運(yùn)行和銷(xiāo)毀的，系統(tǒng)可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建新的進(jìn)程，并在不需要時(shí)終止進(jìn)程。
并發(fā)性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行，提高系統(tǒng)資源的利用率。
阻塞性：進(jìn)程可能會(huì)因?yàn)榈却承┦录鴷和?zhí)行，例如等待輸入/輸出完成、等待信號(hào)量等。
狀態(tài)可變性：進(jìn)程的狀態(tài)會(huì)隨著執(zhí)行過(guò)程中的不同情況而不斷變化，例如進(jìn)程創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞和終止等狀態(tài)。
合作性：進(jìn)程可以與其他進(jìn)程進(jìn)行通信和協(xié)作，例如共享內(nèi)存、消息傳遞、管道等方式。
時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：多個(gè)進(jìn)程并發(fā)運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法，按照一定的時(shí)間片分配給每個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)公平調(diào)度。
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系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)：不同進(jìn)程之間需要爭(zhēng)奪系統(tǒng)資源，例如 CPU、內(nèi)存、IO等，需要通過(guò)進(jìn)程調(diào)度算法合理分配系統(tǒng)資源，避免出現(xiàn)饑餓和死鎖等問(wèn)題。
程序運(yùn)行過(guò)程：
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進(jìn)程運(yùn)行原理
進(jìn)程的運(yùn)行原理主要分為進(jìn)程的創(chuàng)建、調(diào)度和終止三個(gè)階段。
進(jìn)程創(chuàng)建：當(dāng)用戶需要執(zhí)行某個(gè)程序時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為該程序創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。在進(jìn)程創(chuàng)建的過(guò)程中，操作系統(tǒng)會(huì)為該進(jìn)程分配一定的內(nèi)存空間，并為其初始化各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此外，進(jìn)程的創(chuàng)建還包括打開(kāi)程序的代碼和數(shù)據(jù)文件，將程序代碼裝入內(nèi)存等操作。
進(jìn)程調(diào)度：當(dāng)進(jìn)程被創(chuàng)建后，操作系統(tǒng)會(huì)按照一定的調(diào)度算法，將其放入就緒隊(duì)列中等待調(diào)度。在調(diào)度時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程的執(zhí)行狀態(tài)等因素來(lái)決定調(diào)度順序。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被調(diào)度后，它會(huì)被分配一段時(shí)間片（time slice）來(lái)執(zhí)行，時(shí)間片結(jié)束后，操作系統(tǒng)會(huì)將該進(jìn)程暫停，并將其狀態(tài)置為就緒狀態(tài)，等待下一次調(diào)度。
進(jìn)程終止：當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢或者出現(xiàn)異常情況時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)將其從系統(tǒng)中清除。在進(jìn)程終止的過(guò)程中，操作系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉進(jìn)程打開(kāi)的文件，釋放進(jìn)程占用的內(nèi)存空間，更新進(jìn)程控制塊等操作。此外，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程終止時(shí)，它會(huì)向操作系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)終止信號(hào)，通知操作系統(tǒng)將其從系統(tǒng)中清除。
總之，進(jìn)程的運(yùn)行原理是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它涉及到進(jìn)程的創(chuàng)建、調(diào)度和終止等多個(gè)方面。操作系統(tǒng)通過(guò)精細(xì)的調(diào)度算法，保證了不同進(jìn)程之間的資源共享和并發(fā)執(zhí)行，從而提高了系統(tǒng)的性能和效率。
進(jìn)程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換
新建狀態(tài)（New）：進(jìn)程剛被創(chuàng)建，還沒(méi)有被操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。
就緒狀態(tài)（Ready）：進(jìn)程已經(jīng)被操作系統(tǒng)接受，已經(jīng)分配了所需的資源，只等待系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。
運(yùn)行狀態(tài)（Running）：進(jìn)程正在被 CPU 執(zhí)行，占用了 CPU 資源。
阻塞狀態(tài)（Blocked）：進(jìn)程在等待某個(gè)事件的發(fā)生，比如等待 I/O 操作完成或等待資源釋放，此時(shí)進(jìn)程無(wú)法執(zhí)行。
終止?fàn)顟B(tài)（Terminated）：進(jìn)程已經(jīng)完成執(zhí)行或被操作系統(tǒng)終止。
進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如下：
新建狀態(tài)（New） -> 就緒狀態(tài)（Ready）：進(jìn)程被創(chuàng)建后，等待操作系統(tǒng)調(diào)度執(zhí)行。
就緒狀態(tài)（Ready） -> 運(yùn)行狀態(tài)（Running）：進(jìn)程被操作系統(tǒng)選中，獲得 CPU 時(shí)間片，開(kāi)始執(zhí)行。
運(yùn)行狀態(tài)（Running） -> 就緒狀態(tài)（Ready）：進(jìn)程執(zhí)行完畢或者時(shí)間片用完，進(jìn)入就緒狀態(tài)等待下一次調(diào)度。
運(yùn)行狀態(tài)（Running） -> 阻塞狀態(tài)（Blocked）：進(jìn)程需要等待某個(gè)事件的發(fā)生，如 I/O 操作，等待操作系統(tǒng)將其掛起并進(jìn)入阻塞狀態(tài)。
阻塞狀態(tài)（Blocked） -> 就緒狀態(tài)（Ready）：等待的事件已經(jīng)發(fā)生，操作系統(tǒng)將其喚醒并進(jìn)入就緒狀態(tài)等待調(diào)度。
運(yùn)行狀態(tài)（Running） -> 終止?fàn)顟B(tài)（Terminated）：進(jìn)程完成了任務(wù)或者被操作系統(tǒng)強(qiáng)制終止。
進(jìn)程控制（原語(yǔ)）
創(chuàng)建原語(yǔ)：create, 阻塞原語(yǔ):block, 喚醒原語(yǔ):wakeup, 撤銷(xiāo)原語(yǔ):destroy
線程
線程（Thread）是計(jì)算機(jī)中的一種基本執(zhí)行單位，是程序執(zhí)行的最小單元。線程是進(jìn)程中的一部分，一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程。多個(gè)線程可以共享同一進(jìn)程的內(nèi)存空間和其他資源，但每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器、棧和局部變量等線程私有的數(shù)據(jù)。其目的是提高OS的并發(fā)性，注意包含用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程。
進(jìn)程和線程的區(qū)別
線程相較于進(jìn)程，大大降級(jí)了撤銷(xiāo)、創(chuàng)建和切換可執(zhí)行實(shí)體的成本和難度。
資源占用：進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，它擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間、文件描述符等系統(tǒng)資源，不同進(jìn)程之間彼此獨(dú)立。而線程是進(jìn)程內(nèi)部的執(zhí)行單元，它共享進(jìn)程的內(nèi)存空間和系統(tǒng)資源。
調(diào)度：進(jìn)程的創(chuàng)建、切換、銷(xiāo)毀等操作需要操作系統(tǒng)的介入，因此進(jìn)程調(diào)度的開(kāi)銷(xiāo)比線程調(diào)度大。線程是由進(jìn)程創(chuàng)建和管理的，線程的調(diào)度是由進(jìn)程內(nèi)的線程調(diào)度器完成的。
并發(fā)性：由于進(jìn)程之間相互獨(dú)立，因此進(jìn)程的并發(fā)性高。而線程是共享進(jìn)程資源的，線程之間的并發(fā)性相對(duì)較低，因?yàn)榫€程的執(zhí)行需要協(xié)調(diào)和同步。
系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)：由于進(jìn)程之間的獨(dú)立性，進(jìn)程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀需要消耗一定的系統(tǒng)資源，而線程的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀開(kāi)銷(xiāo)相對(duì)較小。
通信：由于進(jìn)程之間彼此獨(dú)立，因此它們需要通過(guò)一些特定的機(jī)制（例如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等）來(lái)進(jìn)行通信。而線程之間共享進(jìn)程的內(nèi)存空間，因此它們可以通過(guò)直接訪問(wèn)共享內(nèi)存來(lái)進(jìn)行通信。
進(jìn)程的通信方式
- 管道/匿名管道(Pipes) ：用于具有親緣關(guān)系的父子進(jìn)程間或者兄弟進(jìn)程之間的通信。有名管道(Named Pipes) : 匿名管道由于沒(méi)有名字，只能用于親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，提出了有名管道。有名管道嚴(yán)格遵循先進(jìn)先出(first in first out)。有名管道以磁盤(pán)文件的方式存在，可以實(shí)現(xiàn)本機(jī)任意兩個(gè)進(jìn)程通信。
- 信號(hào)(Signal) ：信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生；
- 消息隊(duì)列(Message Queuing) ：消息隊(duì)列是消息的鏈表,具有特定的格式,存放在內(nèi)存中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。管道和消息隊(duì)列的通信數(shù)據(jù)都是先進(jìn)先出的原則。與管道（無(wú)名管道：只存在于內(nèi)存中的文件；命名管道：存在于實(shí)際的磁盤(pán)介質(zhì)或者文件系統(tǒng)）不同的是消息隊(duì)列存放在內(nèi)核中，只有在內(nèi)核重啟(即，操作系統(tǒng)重啟)或者顯式地刪除一個(gè)消息隊(duì)列時(shí)，該消息隊(duì)列才會(huì)被真正的刪除。消息隊(duì)列可以實(shí)現(xiàn)消息的隨機(jī)查詢(xún),消息不一定要以先進(jìn)先出的次序讀取,也可以按消息的類(lèi)型讀取.比 FIFO 更有優(yōu)勢(shì)。消息隊(duì)列克服了信號(hào)承載信息量少，管道只能承載無(wú)格式字 節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。
- 信號(hào)量(Semaphores) ：信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于多進(jìn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，信號(hào)量的意圖在于進(jìn)程間同步。這種通信方式主要用于解決與同步相關(guān)的問(wèn)題并避免競(jìng)爭(zhēng)條件。
- 共享內(nèi)存(Shared memory) ：使得多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)同一塊內(nèi)存空間，不同進(jìn)程可以及時(shí)看到對(duì)方進(jìn)程中對(duì)共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新。這種方式需要依靠某種同步操作，如互斥鎖和信號(hào)量等?？梢哉f(shuō)這是最有用的進(jìn)程間通信方式。
- 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客戶端和服務(wù)器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。套接字是支持 TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，可以看做是不同主機(jī)之間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是通信的兩方的一種約定，用套接字中的相關(guān)函數(shù)來(lái)完成通信過(guò)程。
進(jìn)程的上下文切換
在進(jìn)行上下文切換之前，操作系統(tǒng)需要先保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文（包括寄存器的值、程序計(jì)數(shù)器、棧指針等狀態(tài)信息），以便在將來(lái)恢復(fù)該進(jìn)程的執(zhí)行。
接著，操作系統(tǒng)會(huì)將處理器的控制權(quán)交給另一個(gè)進(jìn)程，并將其之前保存的上下文信息恢復(fù)到寄存器中，使該進(jìn)程能夠從之前暫停的地方繼續(xù)執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為進(jìn)程切換，通常需要消耗一定的處理器時(shí)間和系統(tǒng)資源。
需要注意上下文切換對(duì)于多任務(wù)操作系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性非常重要。如果上下文切換的頻率太高，會(huì)導(dǎo)致處理器花費(fèi)過(guò)多時(shí)間在保存和恢復(fù)進(jìn)程上，從而影響系統(tǒng)的整體性能。因此，操作系統(tǒng)需要對(duì)進(jìn)程進(jìn)行合理的調(diào)度，以最小化上下文切換的次數(shù)，并確保所有進(jìn)程都能夠得到公平的處理器時(shí)間。
線程間同步方式
- 互斥量(Mutex)：采用互斥對(duì)象機(jī)制，只有擁有互斥對(duì)象的線程才有訪問(wèn)公共資源的權(quán)限。因?yàn)榛コ鈱?duì)象只有一個(gè)，所以可以保證公共資源不會(huì)被多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)。比如 Java 中的 synchronized 關(guān)鍵詞和各種 Lock 都是這種機(jī)制。
- 信號(hào)量(Semaphore) ：它允許同一時(shí)刻多個(gè)線程訪問(wèn)同一資源，但是需要控制同一時(shí)刻訪問(wèn)此資源的最大線程數(shù)量。事件(Event) :Wait/Notify：通過(guò)通知操作的方式來(lái)保持多線程同步，還可以方便的實(shí)現(xiàn)多線程優(yōu)先級(jí)的比較操作。
