二、进程与线程
1 进程
（1） 进程的创建、终止和层次结构
创建
UNIX中，只有一个系统调用可以创建进程，fork。在UNIX和Windows中，进程创建后，父进程和子进程有各自不同的地址空间，但也有可能共享某些只读数据，可写的内存时不可以共享的，或者通过写时复制的方式
终止
- 正常退出
- 出错退出
- 严重错误
- 被其他进程杀死
层次结构
在UNIX中，进程和它的所有子进程以及后裔共同组成一个进程组。当用户从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员（他们通常是在当前窗口创建的所有活动进程）。每个进程可以分别捕获该信号、忽略该信号或采取默认的动作。考虑不同软件的热键冲突
疑问
所有进程都是init进程的子进程怎么说？？？
（2） 进程的状态
- 运行态
- 就绪态
- 阻塞态
（3） 进程的实现
进程表 每个进程占用一个进程表项，该表项包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息，以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时必须包含的信息
在典型的系统中包含如下关键字段;
1 进程管理相关
包含三大类信息;
1）标识信息：用于唯一地标识一个进程，包括进程ID、父进程、进程组等。
2）现场信息：用于保留一个进程在运行时存放在处理器现场中的各种信息。它们用于在进程切换是保存处理器现场和恢复处理器现场。包括通用寄存器、PSW、堆栈指针、程序计数器等。
3）控制信息：用于管理和调度一个进程。包括进程开始时间、使用CPU的时间等。
2 存储管理相关
1）正文段指针
2）数据段指针
3）堆栈段指针等
3 文件管理相关
根目录、工作目录、文件描述符、用户ID、组ID等
中断响应
4 多道程序设计模型
假设一个进程等待IO操作的时间与其停留在内存中时间的比为p，当内存中同时存在n个进程时，
CPUutilization=1-p^n
2 线程
（1）使用线程的原因
- 可以共享地址空间
- 线程更轻量级，创建和销毁更容易
- 线程在IO密集型程序中可以提高效率
- 适应多处理器系统
进程用于把资源集中在一起，而线程则是在CPU上被调度执行的实体
(2)需要注意的问题
- 线程拥有程序计数器、寄存器、堆栈
- 如果子进程拥有了和父进程一样的多个线程，对于某一事件的响应是父进程响应还是子进程，亦或者都响应
- 与共享数据结构的事实有关
如果一个线程关闭了某个文件，另一个线程还在该文件上进行读操作时会怎样
（3）线程的实现
用户线程与内核线程
1 .内核级线程:由操作系统内核创建和撤销。内核维护进程及线程的上下文信息以及线程切换。一个内核线程由于I/O操作而阻塞，不会影响其它线程的运行。Windows NT和2000/XP支持内核线程。
2.用户线程指不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。不需要用户态/核心态切换，速度快，操作系统内核不知道多线程的存在，因此一个线 程阻塞将使得整个进程（包括它的所有线程）阻塞。由于这里的处理器时间片分配是以进程为基本单位，所以每个线程执行的时间相对减少。但不能很好的利用多核Cpu,目前Linux pthread大体是这么做的。
用户线程运行在一个中间系统上面。目前中间系统实现的方式有两种，即运行时系统（Runtime System）和内核控制线程。“运行时系统”实质上是用于管理和控制线程的函数集合，包括创建、撤销、线程的同步和通信的函数以及调度的函数。这些函数都驻留在用户空间作为用户线程和内核之间的接口。用户线程不能使用系统调用，而是当线程需要系统资源时，将请求传送给运行时，由后者通过相应的系统调用来 获取系统资源。内核控制线程：系统在分给进程几个轻型进程（LWP），LWP可以通过系统调用来获得内核提供的服务，而进程中的用户线程可通过复用来关联 到LWP，从而得到内核的服务。
以下是用户级线程和内核级线程的区别：
（1）内核支持线程是OS内核可感知的，而用户级线程是OS内核不可感知的。
（2）用户级线程的创建、撤消和调度不需要OS内核的支持，是在语言（如Java）这一级处理的；而内核支持线程的创建、撤消和调度都需OS内核提供支持，而且与进程的创建、撤消和调度大体是相同的。
（3）用户级线程执行系统调用指令时将导致其所属进程被中断，而内核支持线程执行系统调用指令时，只导致该线程被中断。
（4）在只有用户级线程的系统内，CPU调度还是以进程为单位，处于运行状态的进程中的多个线程，由用户程序控制线程的轮换运行；在有内核支持线程的系统内，CPU调度则以线程为单位，由OS的线程调度程序负责线程的调度。
（5）用户级线程的程序实体是运行在用户态下的程序，而内核支持线程的程序实体则是可以运行在任何状态下的程序。
内核线程的优点：
当有多个处理机时，一个进程的多个线程可以同时执行。
缺点：
由内核进行调度。
用户进程的优点：
（1） 线程的调度不需要内核直接参与，控制简单。
（2） 可以在不支持线程的操作系统中实现。
（3） 创建和销毁线程、线程切换代价等线程管理的代价比内核线程少得多。
（4） 允许每个进程定制自己的调度算法，线程管理比较灵活。
（5） 线程能够利用的表空间和堆栈空间比内核级线程多。
缺点
（1）资源调度按照进程进行，多个处理机下，同一个进程中的线程只能在同一个处理机下分时复用
（4）调度程序激活机制
为了使用户线程像内核线程一样工作，一个线程阻塞时不会阻塞整个进程，而是切换到另一个就绪的线程。采用上行调用的方法，内核调用用户空间的运行时系统，通知运行时系统一个线程是否阻塞或已经就绪，由运行时系统决定是否运行。
3 进程间通信 inter process communication IPC
（1）竞争条件
两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件。
（2）临界区
把对共享内存进行访问的程序片段称作临界区域或临界区。如果能够适当的安排，使得两个进程不可能同时处于临界区中，就能够避免竞争条件。
对于一个好的方案，需要满足以下四点要求：
- 任何两个进程不能同时处于其临界区
- 不应对CPU的速度和数量做任何假设
- 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程
- 不得使进程无限期等待进入临界区
（3）忙等待的互斥
几种实现互斥的方案
屏蔽中断
当进程进入临界区后立即屏蔽所有中断，离开之前再打开中断，这样CPU不会被切换到其他进程。此方法对于用户进程不是一种合适的互斥机制，而且在多核CPU上也不适用
锁变量
设置一个变量，用0和1来表示有无进程进入临界区，但是仍有可能导致竞争条件
严格轮换法
在一个进程比另一个慢了很多的情况下，轮流进入临界区违反了条件3，即临界区外运行的进程不得阻塞其他进程
Peterson解法
TSL指令
需要硬件支持的一种方案。对于多处理器计算机，都有下面一条指令TSL RX,LOCK，称为测试并加锁。执行TSL指令的CPU将锁住内存总线，以禁止其他CPU在本指令结束之前访问内存
（4）睡眠与唤醒
Peterson和TSL解法都是正确的，但都有忙等待的缺点。当一个程序想进入临界区时，先检查是否允许进入，若不允许，则该进程原地等待，直到允许为止。这不近浪费了CPU时间，还可能出现优先级反转问题
生成者-消费者问题 使用sleep与wakeup同样会导致竞争条件，甚至导致进程永远睡眠下去，可以加入唤醒等待位来避免，但是没有从根本上解决问题
(5)信号量
相比于睡眠唤醒，引入了一个新的变量类型，称作信号量，一个信号量的取值可以为0或者正值，设立两种操作，down和up，对应于sleep和wakeup。
检查数值、修改变量值以及可能发生的睡眠操作均为一个单一的、不可分割的原子操作完成。保证一旦一个信号量操作开始，则在该操作完成或阻塞之前，其他进程均不允许访问该信号量。这种原子性对于解决同步问题和避免竞争条件是绝对必要的。所谓原子操作，实质一组相关联的操作要么都不间断地执行，要么都不执行。
通常将up和down作为系统调用实现，而且操作系统只需在执行以下操作时暂时屏蔽全部中断：测试信号量、更新信号量以及在需要时使某个进程睡眠
（6）互斥量
如果不需要信号量的计数能力，有时可以使用信号量的一个简化版本，称为互斥量。互斥量是一个可以处于两态之一的变量：解锁和加锁
- 快速用户区互斥量 futex
- pthread中的互斥量
（7）管程
-
管程可以看做一个软件模块，它是将共享的变量和对于这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，进程可以调用管程来实现进程级别的并发控制。 -
进程只能互斥得使用管程，即当一个进程使用管程时，另一个进程必须等待。当一个进程使用完管程后，它必须释放管程并唤醒等待管程的某一个进程。 -
在管程入口处的等待队列称为入口等待队列，由于进程会执行唤醒操作，因此可能有多个等待使用管程的队列，这样的队列称为紧急队列，它的优先级高于等待队列。
（7）消息传递
信号量太低级，而管程在少数几种编程语言之外又无法使用，并且，这些原语均为提供机器间的信息交换方法。
消息传递使用两条原语，send 和 receive
（8）屏障
用于一组进程同步
（9）避免锁：读-复制-更新
4 调度
非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直至被阻塞或该进程自动释放CPU；抢占式调度算法挑选一个进程，并且让该进程运行某个固定时段的最大值
（1）调度算法分类
不同的应用领域有不同的目标，因此不同环境下调度程序的优化是不同的，划分出三种环境：
- 批处理
- 交互式
- 实时
（2）调度算法的目标
几个通用性的目标：
- 公平，每个进程公平的得到CPU份额
- 策略强制执行，保证规定的策略被执行
- 平衡-保持系统的所有部分忙碌
几个关键词:吞吐量、周转时间、CPU利用率、响应时间、均衡性
（3）批处理系统中的调度
- 先来先服务 按请求CPU的顺序使用CPU，如果进程阻塞就会排到队列末尾
- 最短作业优先 可以使得平均周转时间最短
- 最短剩余时间优先可以使新的短作业获得良好的服务
（4）交互式系统中的调度
- 轮转调度 CPU时间片长度的选择，过短的话上下文切换开销大，太长又可能使得对短的交互请求响应时间变长，典型时间20-50ms
- 优先级调度
- 多级队列 时间片和优先级相关
- 最短进程优先
- 保证调度
- 彩票调度
- 公平分享调度 考虑不同用户的进程
（5）策略和机制
可以将调度机制和调度策略分离，以使得用户进程可以参与到调度中来