操作系统——进程&线程

进程和线程的定义

进程是资源分配的基本单位，他是程序执行是的一个实例，在程序运行时创建

线程是程序执行的最小单位，是进程的一个执行流，一个进程里包含多个线程

进程和线程的区别

定义： 进程：进程是独立的执行单位，每个进程都有自己独立的内存空间和系统资源。进程之间通常是相互隔离的。线程：线程是进程内的执行单元，多个线程可以共享同一个进程的内存空间和系统资源。

资源占用： 进程：每个进程都有独立的内存空间，因此占用较多的系统资源。线程：线程共享同一个进程的内存空间，因此占用的系统资源较少。

通信和同步： 进程：不同进程之间的通信较复杂，需要使用进程间通信（IPC）机制，如管道、消息队列、共享内存等。进程之间的同步也需要额外的手段。线程：线程之间可以直接共享内存，因此通信较为简单。线程之间的同步可以使用线程同步原语，如互斥锁、信号量等。

创建和销毁开销： 进程：创建和销毁进程通常需要较大的开销，包括分配和释放内存、建立和销毁进程控制块等。线程：创建和销毁线程的开销较小，因为它们共享了大部分进程的资源。

独立性： 进程：进程是相对独立的，一个进程的崩溃通常不会影响其他进程。线程：线程是共享同一个进程的资源，因此一个线程的错误可能会影响整个进程。

适用场景： 进程：适用于需要高度隔离和独立性的任务，如独立的应用程序。线程：适用于需要轻量级并发、共享数据、协同工作的任务，如多线程编程和并行计算。

进程和线程的状态

创建状态（New）：当一个新的进程被创建，但操作系统尚未为其分配足够的资源或初始化必要的数据结构时，进程处于创建状态。在这个阶段，进程正在初始化，并等待操作系统分配资源。

就绪状态（Ready）：一旦进程获得了必要的资源，它进入就绪状态。在就绪状态下，进程已准备好运行，只等待CPU的分配。多个就绪状态的进程可以等待CPU时间片，等待操作系统的调度。

运行状态（Running）：进程进入运行状态时，它正在执行指令并占用CPU。在任何给定时间，只有一个进程可以处于运行状态。其他进程则处于就绪或阻塞状态。

阻塞状态（Blocked）：当进程在执行中遇到需要等待某些事件发生的情况（如等待I/O操作完成或等待其他进程的信号）时，它会从运行状态切换到阻塞状态。在阻塞状态下，进程暂停执行，直到所需事件发生。

终止状态（Terminated）：当进程完成其任务或被操作系统终止时，它进入终止状态。在终止状态下，操作系统会回收进程的资源，包括内存空间、文件描述符等。

进程间通信方式

管道（Pipes）：管道是一种单向通信机制，通常用于父子进程之间或具有亲缘关系的进程之间。有命名管道和匿名管道两种。匿名管道在内存中创建，而命名管道则存在于文件系统中，允许无亲缘关系的进程之间通信。

消息队列（Message Queues）：消息队列是一种通过消息进行通信的IPC方式。进程可以将消息发送到队列中，而其他进程可以从队列中接收消息。这种方式适用于异步通信，不要求发送者和接收者同时在线。

共享内存（Shared Memory）：共享内存允许多个进程共享同一块内存区域，从而可以非常高效地进行数据交换。但需要额外的同步机制来避免数据竞争。

信号（Signals）：信号是一种用于通知进程发生特定事件的机制，如中断或错误。进程可以发送信号给其他进程，以请求它们采取某种动作。例如，SIGKILL信号用于终止进程。

套接字（Sockets）：套接字通常用于网络编程，但它们也可以在本地进程之间进行通信。本地套接字（Unix域套接字）可以实现进程之间的双向通信。

信号量（Semaphores）：信号量是一种用于控制并发访问共享资源的IPC方式。它们可以用于同步多个进程，以确保只有一个进程可以访问临界区。

线程间通信方式

共享内存：多个线程可以通过访问共享内存区域来进行通信。这是一种高效的通信方式，但需要额外的同步机制来避免数据竞争。

互斥锁（Mutex）：互斥锁用于保护共享资源，确保在任何时候只有一个线程可以访问它。当一个线程锁住互斥锁时，其他线程将被阻塞，直到该锁被释放。

信号量（Semaphores）：信号量是一种计数器，可以用于控制多个线程对共享资源的访问。它可以用于限制同时访问资源的线程数量。

消息队列：与进程间通信类似，线程间也可以使用消息队列进行通信。这是一种异步通信的方式。

管道：类似于进程间通信中的管道，线程间也可以使用管道进行通信。然而，它们通常用于父子线程之间或在同一进程中。

进程和线程通信区别

共享资源：

线程间通信：线程共享同一进程的内存空间，它们可以直接访问共享变量和数据结构，因此通信相对容易。但同时需要特别小心数据竞争和同步问题。

进程间通信：进程有各自独立的内存空间，彼此之间不能直接访问，因此进程间通信需要特殊的机制来交换数据，如管道、消息队列或共享内存。

资源开销：

线程间通信：由于线程共享进程的内存空间，通信的开销较小。

进程间通信：进程间通信需要操作系统提供额外的资源和机制，通常开销较大，例如在不同地址空间之间传递数据需要复制数据。

并发性：

线程间通信：由于线程共享相同的内存空间，它们可以更容易地实现并发操作，但也更容易出现竞争条件。

进程间通信：进程之间相对更独立，通信和同步需要更多的开销，但可以提供更好的隔离性和稳定性。

编程难度：

线程间通信：由于线程共享内存，开发者需要小心处理同步和竞争条件，以避免数据不一致或死锁等问题。

进程间通信：进程间通信需要使用特定的IPC机制，编写代码可能相对复杂，但它提供了更好的隔离性，降低了程序的耦合度。

安全性：

线程间通信：由于线程共享内存，必须小心处理同步，以避免数据竞争和不一致性。

进程间通信：进程间通信通常更安全，因为进程具有独立的地址空间，相互之间不会直接影响，降低了错误传播的风险。

僵尸/孤儿/守护进程

僵尸进程（Zombie Process）：

僵尸进程是已经完成执行的子进程，但其父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 系统调用来获取子进程的退出状态。

僵尸进程的进程控制块仍然存在，但它不再执行任何操作。僵尸进程占用系统资源，但不能执行任何操作。

通常，父进程会在子进程退出后获取其退出状态，以释放子进程的资源，并告诉操作系统该子进程不再需要保留。如果父进程没有处理僵尸进程，它们可能会累积并浪费系统资源。

孤儿进程（Orphan Process）：

孤儿进程是指其父进程已经终止或意外终止，但孤儿进程仍在运行。在这种情况下，孤儿进程会被操作系统的 init 进程（通常具有进程ID 1）接管。

init 进程成为孤儿进程的新父进程，负责回收孤儿进程的资源并管理它们的终止。

守护进程（Daemon Process）：

守护进程是在后台运行的系统进程，通常在系统启动时启动，以执行某种系统任务或服务，如日志记录、定时任务等。

守护进程通常以超级用户权限（root）运行，独立于用户会话，没有终端关联。

守护进程的目的是在后台执行任务，不与用户直接交互。它们通常会在系统启动时启动，并在系统关闭时停止。

内核线程和用户线程区别

特权级别：

内核线程在内核级别运行，具有更高的特权级别，可以执行特权指令和访问受限资源。

用户线程在用户级别运行，其执行受到限制，无法直接访问系统资源。

调度和管理：

内核线程由操作系统内核直接管理，包括调度、撤销等。

用户线程的创建和调度由用户级线程库完成，操作系统对其无直接感知。

开销和效率：

用户线程的切换和管理开销相对较小，因为它们不涉及内核的直接参与。

内核线程的管理开销相对较大，��它们可以更灵活地利用操作系统的各种功能。

进程调度算法即策略

先来先服务调度（First-Come, First-Served，FCFS）：

进程按照它们到达调度队列的顺序执行，先到达的进程先执行。

简单且容易实现，但可能导致"等待时间过长"（Convoy Effect）问题。

短作业优先调度（Shortest Job Next，SJN）：

选择估计执行时间最短的进程，以最小化平均等待时间。

也称为最短作业优先（Shortest Job First，SJF）。

优先级调度：

每个进程被分配一个优先级，优先级高的进程先执行。

静态优先级：由系统分配。

动态优先级：根据进程的行为和等待时间进行调整。

轮转调度（Round Robin，RR）：

每个进程在调度队列中轮流执行一个时间片，当时间片用尽时，被移到队列末尾等待。

确保每个进程都有机会执行，适用于时间共享系统。

多级反馈队列调度：

将就绪队列划分为多个队列，每个队列具有不同的优先级。

进程首先从最高优先级队列开始执行，如果时间片用尽而未完成，移至较低优先级队列。

最高响应比优先调度（Highest Response Ratio Next，HRRN）：

选择响应比最高的进程执行，响应比定义为（等待时间 + 服务时间）/ 服务时间。

优先选择等待时间较长且服务时间较短的进程。

并发和并行

并发是对于单个cpu来说，在一个是个只能一个进程运行，但是线程的切换时间则是减少到纳秒数量级，多个任务不停的来回切换;

并行是对于多个CPU来说，多个进程同时运行;

区别;并行的"同时"是同一时刻可以多个任务在运行(处于running)，并发的"同时"是经过不同线程快速切换;

死锁

死锁是指多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成互相等待，此时系统产生了死锁;

产生条件：

互斥条件：进程对所分配的资源不允许其他进程访问，若其他进程需要访问，只能等待，知道该进程使用完毕后释放资源

请求保持条件：进程获得一定资源后，有对其他资源发出请求，但该资源被其他进程占用，此时请求阻塞，而且这个进程不会释放自己已经占有的资源

不可剥夺条件：进程获得资源，只能自己释放，不可剥夺

环路等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接等待资源关系

解决：

资源一次性分配，从而解决请求保持的问题

可剥夺资源：当进程新的资源未得到满足时，释放已有的资源；

资源有序分配：资源按序号递增，进程请求按递增请求，释放则相反

多线程程序考虑加锁

因为线程锁只要是用来实现线程的同步和通信，在抢占是操作系统中，通常为每个县城分配一个时间片，当某个线程时间片耗尽时，操作系统会将其挂起，然后运行另一个线程。如果这两个线程共享某些数据，不使用线程锁的前提下，可能会导致共享数据修改引起冲突

线程的中断切换

中断发生：与进程中断一样，硬件或软件引发中断。

内核响应：操作系统内核捕获到中断并选择相应的中断服务例程。

当前线程上下文保存：操作系统保存当前运行线程的上下文信息，如寄存器状态、程序计数器、栈指针等。

中断处理程序执行：执行与中断相关的处理程序，可能包括设备驱动程序、系统调用等。

线程调度：操作系统可能决定切换到另一个线程。这可能会涉及线程调度算法。

新线程上下文加载：如果发生线程切换，操作系统加载新线程的上下文信息。

中断处理完成：中断处理程序执行完毕，控制返回到新的或原始的线程。

多线程和单线程

多线程 vs. 单线程：

并行执行：

多线程允许多个线程同时执行，以提高系统性能，尤其在多核处理器上。

单线程一次只能执行一个任务，无法充分利用多核处理器。

资源共享：

多线程可以共享相同的内存空间，这使得线程之间的通信更容易。

单线程通常无法轻松地实现资源共享，因为它们运行在相对隔离的环境中。

复杂性：

多线程编程通常更复杂，因为需要处理竞争条件和并发问题。

单线程编程通常更简单，因为不需要担心并发。

多线程编程注意事项：

线程同步：确保多个线程之间的安全访问共享资源。使用互斥锁、信号量等机制来控制线程访问。

避免竞争条件：竞争条件会导致不可预测的结果。通过合理的同步和锁定来避免竞争条件。

线程安全数据结构：使用线程安全的数据结构，如线程安全的队列，以减少自己实现同步逻辑的复杂性。

避免死锁：死锁是多线程编程中的常见问题。确保良好的锁定管理和避免相互等待。

多线程加锁注意事项：

锁粒度：选择适当的锁粒度。锁的范围应该足够小，以减少竞争，但不应过小，以避免锁争用带来的开销。

锁顺序：在多个锁的情况下，确保按照相同的顺序获取锁，以减少死锁的风险。

锁超时：在尝试获取锁时，考虑设置锁超时机制，以避免长时间等待锁导致的性能问题。

锁性能：了解锁的性能特性，以确保不会因锁开销而降低程序性能。

避免锁滥用：不是每个代码段都需要锁，避免过度使用锁，以避免不必要的同步开销。

线程池

线程池是为了有效管理和复用线程资源而创建的一种机制。它的存在有以下主要原因和优势：

降低线程创建和销毁开销：线程的创建和销毁代价较高。线程池维护一组可重用的线程，避免频繁地创建和销毁线程，从而降低开销。

控制并发度：线程池允许您限制同时执行的线程数量，以控制系统的并发度。这有助于防止系统过载和资源饱和。

提高响应时间：线程池使任务能够迅速排队并执行，而不必等待新线程的创建。这有助于提高系统的响应时间。

资源管理：线程池可以帮助有效管理系统的资源，防止不受控制的线程数量导致资源耗尽。

线程池的设计思路通常包括以下要点：

线程池大小：决定线程池可以容纳多少线程。线程池大小的选择通常取决于系统资源、性能需求和可用硬件。如果线程池太小，可能无法满足并发需求；如果太大，可能导致资源浪费和竞争条件。

任务队列：线程池通常维护一个任务队列，其中等待执行的任务排队。新任务被提交到队列中，并由线程池中的线程异步执行。

线程复用：线程池中的线程是可重用的，它们在完成一个任务后会从队列中获取下一个任务而不被销毁。这减少了线程创建和销毁的开销。

线程调度：线程池负责调度线程以执行任务，通常使用调度算法（如先进先出、最短作业优先等）来选择下一个任务。

线程池中线程的数量由以下因素确定：

系统资源：线程池的大小应受限于可用的物理内存和处理器核心数量。不宜创建过多线程，以避免资源耗尽和上下文切换开销。

性能需求：线程池的大小应该根据应用程序的性能需求来确定。如果需要高并发性能，可以增加线程池的大小。

任务性质：不同类型的任务可能需要不同数量的线程来获得最佳性能。某些任务可能需要更多线程来并行执行。

硬件特性：线程池的大小还取决于硬件特性，如多核处理器的数量，以充分利用硬件资源。

自旋锁和信号量区别

自旋锁：

自旋锁是一种轻量级的锁，通常用于保护临界区，确保同时只有一个线程可以进入临界区执行。

当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已被其他线程占用，它会不断自旋（循环检查锁状态），而不是立即被阻塞挂起。

自旋锁适用于短时间内的临界区保护，因为它减少了线程的上下文切换开销。但如果锁被占用时间较长，自旋可能会浪费CPU资源。

信号量：

信号量是一种更通用的同步机制，可以用于控制并发线程的访问或控制资源的分配。

信号量有两种类型：二进制信号量（只有0和1）和计数信号量（可以大于1）。

二进制信号量通常用于互斥，即只有一个线程可以访问临界区。计数信号量用于限制同时访问某些资源的线程数量。

区别：

等待机制：

自旋锁通过忙等待来获取锁，不会阻塞线程，不会进入睡眠

信号量使用阻塞和唤醒机制，当线程无法获得信号量时，它将被阻塞，直到信号量可用，会进入睡眠

用途：

自旋锁通常用于短时间内的临界区保护，以减少上下文切换开销。

信号量更通用，可以用于控制线程数量、资源分配和同步多个线程之间的操作。

适用性：

自旋锁适合用于低竞争和低争用的情况，例如多核CPU上的短期临界区。

信号量更适合于需要阻塞等待的场景，例如生产者-消费者问题或限制同时访问资源的情况。

线程的同步和互斥的区别

同步：

同步是一种协调多个线程之间的操作顺序或执行时机的机制，以确保它们按照一定的顺序或条件来执行。

同步通常涉及在多个线程之间建立依赖关系，以便它们协同工作或按照特定的规则执行。

同步机制可以包括等待其他线程完成、通知其他线程继续执行、等待条件变为真等。

互斥：

互斥是一种同步机制，用于确保在同一时间只有一个线程可以访问共享资源或进入临界区。

互斥锁、信号量、互斥量等是用于实现互斥的工具，它们用于防止多个线程同时访问或修改共享资源，从而避免数据竞争和不一致性。

区别：

同步是更广泛的概念，它可以包括协调线程的任何方式，而不仅限于互斥。同步可以用于等待事件、通信、任务协作等。

互斥是同步的一种特定形式，它关注的是线程在访问共享资源或执行临界区时的互斥性。

联系：

互斥通常用于同步的实现中，以确保在某个时间点只有一个线程可以执行共享资源的操作。

同步机制可以包括互斥，但也可以包括其他形式的同步，如条件变量、信号量、屏障等，用于线程之间的协调和通信。