进程管理

进程与线程

进程

进程是资源分配的基本单位。

进程控制块描述进程的基本信息和运行状态，创建进程和撤销进程都是对进程控制块（PCB）的操作。

线程

线程时独立调度的基本单位。

一个进程中可以有多个线程，他们共享线程资源。

进程与线程的区别

  1. 拥有资源

    进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。

  2. 调度

    线程是CPU独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。从一个进程的线程切换到另一个进程的线程时，会引起进程切换。

  3. 系统开销

    • 创建或撤销进程的开销远大于线程的开销
    • 切换进程的开销远大于切换线程的开销

  4. 通信方面

    线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信。但是进程通信需要借助IPC。

进程状态的切换

  • 就绪状态（ready）：等待被调度
  • 运行状态（running）
  • 阻塞状态 （waiting）：等待资源

进程调度算法

不同环境的调度算法目标不同，因此需要针对不同环境来讨论调度算法。

批处理系统

​ 批处理系统没有太多的用户操作，在该系统中，调度算法目标是保证吞吐量和周转时间（从提交到终止的时间）

  1. 先来先服务（FCFS）

    非抢占式的调度算法，按照请求的顺序进行调度。

    有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。

  2. 短作业优先（SJF）

    非抢占式的调度算法，按估计运行时间最短的顺序进行调度。

    长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。

  3. 最短剩余时间优先（SRTN）

    最短作业优先的抢占式版本，按剩余运行时间的顺序进行调度。

    当一个新的作业到达时，其整个运行时间与当前进程的剩余时间作比较。如果新的进程需要的时间更少，则挂起当前进程，运行新的进程。否则新的进程等待。

交互式系统

交互式系统有大量的用户交互操作，在该系统中调度算法的目标是快速地进行响应。

  1. 时间片轮转

    将所有就绪进程按FCFS的原则排成一个队列，每次调度时，把CPU时间分配给队首进程，该进程可以执行一个时间片。当时间片用完时，由计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾，同时继续把CPU时间片分配给队首的进程。

    时间片轮转算法的效率和时间片的大小有很大关系：

    • 如果时间片太小，会导致进程切换太频繁，在进程切换上会花过多时间。
    • 如果时间片太长，那么实时性就不能得到保证。

  2. 优先级调度

    为每个进程分配一个优先级，按优先级进行调度。

    为了防止低优先级的进程永远得不到调度，可以随着时间的推移增加等待线程的优先级。

  3. 多级反馈队列

    一个进程需要执行 100 个时间片，如果采用时间片轮转调度算法，那么需要交换 100 次。

    多级队列是为这种需要连续执行多个时间片的进程考虑，它设置了多个队列，每个队列时间片大小都不同，例如 1,2,4,8,..。进程在第一个队列没执行完，就会被移到下一个队列。这种方式下，之前的进程只需要交换 7 次。

    每个队列优先权也不同，最上面的优先权最高。因此只有上一个队列没有进程在排队，才能调度当前队列上的进程

实时系统

实时系统要求一个请求在一个确定时间内得到响应。

分为硬实时和软实时，前者必须满足绝对的截止时间，后者可以容忍一定的超时。

进程同步

临界区

临街资源指每次仅允许一个进程进行访问的资源。

对临界资源进行访问的那段代码称为临界区。

为了互斥访问临界资源，每个进程在进入临界区之前，需要先进行检查。

同步与互斥

  • 同步：多个进程因为合作产生的直接制约关系，使得进程有一定的先后执行关系。
  • 互斥：多个进程在同一时刻只有一个线程能进入临界区。

信号量

信号量（Semaphore）是一个整型变量，可以对其执行 down 和 up 操作，也就是常见的 P 和 V 操作。

  • down : 如果信号量大于 0 ，执行 -1 操作；如果信号量等于 0，进程睡眠，等待信号量大于 0；
  • up ：对信号量执行 +1 操作，唤醒睡眠的进程让其完成 down 操作。

如果信号量的取值只能为 0 或者 1，那么就成为了 互斥量（Mutex） ，0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。

哲学家进餐问题

五个哲学家围着一张圆桌，每个哲学家面前放着食物。哲学家的生活有两种交替活动：吃饭以及思考。当一个哲学家吃饭时，需要先拿起自己左右两边的两根筷子，并且一次只能拿起一根筷子。

为了防止死锁的发生，可以设置两个条件：

  • 必须同时拿起左右两根筷子；
  • 只有在两个邻居都没有进餐的情况下才允许进餐。

管程

管程有一个重要特性：在一个时刻只能有一个进程使用管程。进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程，否则其它进程永远不能使用管程。

管程引入了 条件变量 以及相关的操作：wait() 和 signal() 来实现同步操作。对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来给另一个进程持有。signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。

进程通信

进程同步与进程通信很容易混淆，它们的区别在于：

  • 进程同步：控制多个进程按一定顺序执行；
  • 进程通信：进程间传输信息

进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。也可以说，为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步所需要的信息。

单工通信：如果甲可以向乙发送数据，但是乙不能向甲发送数据

半双工通信：半双工(Half Duplex)数据传输指数据可以在一个信号载体的两个方向上传输，但是不能同时传输。

全双工通信：全双工（Full Duplex）是指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。

管道通信

管道是通过调用 pipe 函数创建的，fd[0] 用于读，fd[1] 用于写。

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);
复制代码

它具有以下限制：

  • 只支持半双工通信（单向交替传输）；
  • 只能在父子进程或者兄弟进程中使用。

FIFO

也被称为命名管道，去除了管道只能在父子进程中使用的限制。

FIFO 常用于客户-服务器应用程序中，FIFO 用作汇聚点，在客户进程和服务器进程之间传递数据。

消息队列

相比于 FIFO，消息队列具有以下优点：

  • 消息队列可以独立于读写进程存在，从而避免了 FIFO 中同步管道的打开和关闭时可能产生的困难；
  • 避免了 FIFO 的同步阻塞问题，不需要进程自己提供同步方法；
  • 读进程可以根据消息类型有选择地接收消息，而不像 FIFO 那样只能默认地接收。

信号量

它是一个计数器，用于为多个进程提供对共享数据对象的访问。

共享存储

允许多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在进程之间复制，所以这是最快的一种 IPC。

需要使用信号量用来同步对共享存储的访问。

套接字

与其它通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。