重学操作系统原理系列 - 进程管理

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1 线程的引入

引入理由：

• 应用需要
• 开销考虑
• 性能考虑

1.1 应用需要

一个web服务器工作方式：

• 从客户端接收网页请求
• 从磁盘上检索相关的网页，读入内存（此时进程是停止的，直到读取完毕）
• 将网页返回给对应客户端

可以看到每次从磁盘读取的时候进程都是暂停的，导致性能低下。咋提高服务器工作效率？通常使用网页缓存。在没有线程情况下的两种解决方案：

• 一个服务进程undefined，也是一种顺序编程，虽采用缓存机制，但性能同样不高。而若设置多个进程，这多进程间又相互独立，有独立的地址空间，所以不能共享信息
• 有限状态机undefined，这种方式编程模型复杂，采用非阻塞I/O

多线程的解决方式

这是一个多线程的web服务器的工作方式，首先读取客户端的请求，之后由分派线程将各个任务分派给工作线程，这里还是采用了网页缓存。

一个web服务器的实现有三种（构造服务器的方法）：

6.1.2 开销的考虑

进程相关的操作：

• 创建进程
• 撤销进程
• 进程通信
• 进程切换

时间/空间开销大，限制了并发度的提高。

线程的开销小：

• 创建一个新线程花费时间少（撤销亦如此）
• 两个线程切换花费时间少
• 线程之间相互通信无须调用内核（同一进程内的线程共享内存和文件）

6.1.3 性能的考虑

如果有多个处理器的话，一个进程就会有多个线程同时在执行了，这样可以极大的提高运行性能

2 线程的基本概念

在同一进程增加了多个执行序列（线程）。

线程：进程中的一个运行实体，是CPU的调度单位，有时将线程称为轻量级进程

进程的两个基本属性：

• 资源的拥有者：进程还是资源的拥有者
• CPU调度单位：线程继承了这一属性

线程的属性

• 有标识符ID
• 有状态及状态转换-->需要提供一些操作
• 不运行时需要保存的上下文（程序计数器等寄存器）
• 有自己的栈和栈指针
• 共享所在进程的地址空间和其他资源
• 创建、撤销另一个线程（程序开始是以一个单线程方式运行的）

3 线程机制的实现

参考：https://www.monografias.com/trabajos107/gestion-procesos-sistemas-operativos/gestion-procesos-sistemas-operativos2

三种实现机制：

• 用户级线程
• 核心级线程
• 混合（两者结合）方法

用户级线程

在用户空间建立线程库：提供一组管理线程的过程。

运行时系统：完成线程的管理工作(操作、线程表)。

内核管理的还是进程，不知道线程的存在。

线程切换不需要内核态特权。

例子：UNIX。

线程是由运行时系统管理的，在内核中只有进程表。典型例子是UNIXundefined POSIX线程库--PTHREAD

POSlX(Portable Operating System Interface)多线程编程接口，以线程库方式提供给用户

优点

• 线程切换快
• 调度算法是应用程序特定的
• 用户级线程可运行在任何操作系统上（只需要实现线程库）

缺点

• 内核只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上
• 大多数系统调用是阻塞的，因此，由于内核阻塞进程，故进程中所有线程也被阻塞。（可以在调用之前判断进行解决，如果是阻塞线程，那么就换其他线程）

核心级线程

内核管理所有线程管理，并向应用程序提供API接口。

内核维护进程和线程的上下文。

线程的切换需要内核支持。

以线程为基础进行调度

例子：Windows

混合模型

• 线程创建在用户空间完成
• 线程调度等在核心态完成
• 例子如Solaris操作系统

4 线程状态（Java）

新建

创建后尚未启动的线程。

运行

包括 OS 中 Running 和 Ready 状态，该态的线程可能正在运行，也可能正在等待 CPU 为其分配执行时间

无限期等待

该态线程不会被分配 CPU 执行时间，要等待其他线程显式唤醒。如下方法会让线程进入无限期等待：

• 未设置 timeout 的 object.wait()
• 未设置 timeout 参数的 Thread.join()
• LockSupport.park()

有限期的等待

该态的线程也不会被分配 CPU 执行时间，不过无需等待被其他线程显式唤醒，而是在一定时间后，由 OS 自动唤醒

• 设置了 timeout 的 object.wait() 方法
• 设置了 timeout 参数的 Thread.join()
• LockSupport.parkNanos()
• LockSupport.parkUnit()

阻塞 V.S 等待

• 阻塞态在等待获取一个排它锁，该事件将在另外一个线程放弃这个锁时发生
• 等待状态在等待一段时间或唤醒动作

结束

已终止线程的线程状态，线程已结束执行。

5 进程的通信类型

• 共享存储器、管道、客户机-服务器系统（socket）
• 直接通信、间接通信（信箱）

IPC，进程间通信（inter-process communication），允许进程之间互传数据和指令。多个进程同时运行时，可用IPC使它们协作完成任务，提高系统资源利用率和效率。

常见IPC机制包括管道、消息队列、共享内存和套接字等。

管道

允许一个进程将输出发送到管道，然后另一个进程可以从该管道读取输入。

Linux管道可用 "|" 符号表示，如：command1 | command2。即 command1 的输出自动成为 command2 的输入。

管道只是一种通信机制，使进程能以更高效简单的方式协作。由于管道功能强大且能与其他命令联合使用，是编写复杂 shell 脚本的基础。

管程（Monitors）

也称监视器，一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。

管程实现了在一个时间点，最多仅一个线程在执行管程的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比，管程实现很大程度简化程序设计。

管程提供了一种机制，线程可临时放弃互斥访问，等待某些条件得到满足后，重新获得执行权恢复它的互斥访问。