進程和線程基礎(chǔ)知識全家桶，30 張圖一套帶走

前言

先來看看一則小故事

我們寫好的一行行代碼，為了讓其工作起來，我們還得把它送進城（進程）里，那既然進了城里，那肯定不能胡作非為了。

城里人有城里人的規(guī)矩，城中有個專門管轄你們的城管（操作系統(tǒng)），人家讓你休息就休息，讓你工作就工作，畢竟攤位（CPU）就一個，每個人都要占這個攤位來工作，城里要工作的人多著去了。

所以城管為了公平起見，它使用一種策略（調(diào)度）方式，給每個人一個固定的工作時間（時間片），時間到了就會通知你去休息而換另外一個人上場工作。

另外，在休息時候你也不能偷懶，要記住工作到哪了，不然下次到你工作了，你忘記工作到哪了，那還怎么繼續(xù)？

有的人，可能還進入了縣城（線程）工作，這里相對輕松一些，在休息的時候，要記住的東西相對較少，而且還能共享城里的資源。

“哎喲，難道本文內(nèi)容是進程和線程？”

可以，聰明的你猜出來了，也不枉費我瞎編亂造的故事了。

進程和線程對于寫代碼的我們，真的天天見、日日見了，但見的多不代表你就熟悉它們，比如簡單問你一句，你知道它們的工作原理和區(qū)別嗎？

不知道沒關(guān)系，今天就要跟大家討論操作系統(tǒng)的進程和線程。

正文

進程

我們編寫的代碼只是一個存儲在硬盤的靜態(tài)文件，通過編譯后就會生成二進制可執(zhí)行文件，當(dāng)我們運行這個可執(zhí)行文件后，它會被裝載到內(nèi)存中，接著 CPU 會執(zhí)行程序中的每一條指令，那么這個運行中的程序，就被稱為「進程」。

現(xiàn)在我們考慮有一個會讀取硬盤文件數(shù)據(jù)的程序被執(zhí)行了，那么當(dāng)運行到讀取文件的指令時，就會去從硬盤讀取數(shù)據(jù)，但是硬盤的讀寫速度是非常慢的，那么在這個時候，如果 CPU 傻傻的等硬盤返回數(shù)據(jù)的話，那 CPU 的利用率是非常低的。

做個類比，你去煮開水時，你會傻傻的等水壺?zé)_嗎？很明顯，小孩也不會傻等。我們可以在水壺?zé)_之前去做其他事情。當(dāng)水壺?zé)_了，我們自然就會聽到“嘀嘀嘀”的聲音，于是再把燒開的水倒入到水杯里就好了。

所以，當(dāng)進程要從硬盤讀取數(shù)據(jù)時，CPU 不需要阻塞等待數(shù)據(jù)的返回，而是去執(zhí)行另外的進程。當(dāng)硬盤數(shù)據(jù)返回時，CPU 會收到個中斷，于是 CPU 再繼續(xù)運行這個進程。

這種多個程序、交替執(zhí)行的思想，就有 CPU 管理多個進程的初步想法。

對于一個支持多進程的系統(tǒng)，CPU 會從一個進程快速切換至另一個進程，其間每個進程各運行幾十或幾百個毫秒。

雖然單核的 CPU 在某一個瞬間，只能運行一個進程。但在 1 秒鐘期間，它可能會運行多個進程，這樣就產(chǎn)生并行的錯覺，實際上這是并發(fā)。

并發(fā)和并行有什么區(qū)別？

一圖勝千言。

進程與程序的關(guān)系的類比

到了晚飯時間，一對小情侶肚子都咕咕叫了，于是男生見機行事，就想給女生做晚飯，所以他就在網(wǎng)上找了辣子雞的菜譜，接著買了一些雞肉、辣椒、香料等材料，然后邊看邊學(xué)邊做這道菜。

突然，女生說她想喝可樂，那么男生只好把做菜的事情暫停一下，并在手機菜譜標(biāo)記做到哪一個步驟，把狀態(tài)信息記錄了下來。

然后男生聽從女生的指令，跑去下樓買了一瓶冰可樂后，又回到廚房繼續(xù)做菜。

這體現(xiàn)了，CPU 可以從一個進程（做菜）切換到另外一個進程（買可樂），在切換前必須要記錄當(dāng)前進程中運行的狀態(tài)信息，以備下次切換回來的時候可以恢復(fù)執(zhí)行。

所以，可以發(fā)現(xiàn)進程有著「運行 - 暫停 - 運行」的活動規(guī)律。

進程的狀態(tài)

在上面，我們知道了進程有著「運行 - 暫停 - 運行」的活動規(guī)律。一般說來，一個進程并不是自始至終連續(xù)不停地運行的，它與并發(fā)執(zhí)行中的其他進程的執(zhí)行是相互制約的。

它有時處于運行狀態(tài)，有時又由于某種原因而暫停運行處于等待狀態(tài)，當(dāng)使它暫停的原因消失后，它又進入準(zhǔn)備運行狀態(tài)。

所以，在一個進程的活動期間至少具備三種基本狀態(tài)，即運行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)。

上圖中各個狀態(tài)的意義：

• 運行狀態(tài)（Runing）：該時刻進程占用 CPU；

• 就緒狀態(tài)（Ready）：可運行，但因為其他進程正在運行而暫停停止；

• 阻塞狀態(tài)（Blocked）：該進程正在等待某一事件發(fā)生（如等待輸入/輸出操作的完成）而暫時停止運行，這時，即使給它CPU控制權(quán)，它也無法運行；

當(dāng)然，進程另外兩個基本狀態(tài)：

• 創(chuàng)建狀態(tài)（new）：進程正在被創(chuàng)建時的狀態(tài)；

• 結(jié)束狀態(tài)（Exit）：進程正在從系統(tǒng)中消失時的狀態(tài)；

于是，一個完整的進程狀態(tài)的變遷如下圖：

再來詳細(xì)說明一下進程的狀態(tài)變遷：

• NULL -> 創(chuàng)建狀態(tài)：一個新進程被創(chuàng)建時的第一個狀態(tài)；

• 創(chuàng)建狀態(tài) -> 就緒狀態(tài)：當(dāng)進程被創(chuàng)建完成并初始化后，一切就緒準(zhǔn)備運行時，變?yōu)榫途w狀態(tài)，這個過程是很快的；

• 就緒態(tài) -> 運行狀態(tài)：處于就緒狀態(tài)的進程被操作系統(tǒng)的進程調(diào)度器選中后，就分配給 CPU 正式運行該進程；

• 運行狀態(tài) -> 結(jié)束狀態(tài)：當(dāng)進程已經(jīng)運行完成或出錯時，會被操作系統(tǒng)作結(jié)束狀態(tài)處理；

• 運行狀態(tài) -> 就緒狀態(tài)：處于運行狀態(tài)的進程在運行過程中，由于分配給它的運行時間片用完，操作系統(tǒng)會把該進程變?yōu)榫途w態(tài)，接著從就緒態(tài)選中另外一個進程運行；

• 運行狀態(tài) -> 阻塞狀態(tài)：當(dāng)進程請求某個事件且必須等待時，例如請求 I/O 事件；

• 阻塞狀態(tài) -> 就緒狀態(tài)：當(dāng)進程要等待的事件完成時，它從阻塞狀態(tài)變到就緒狀態(tài)；

另外，還有一個狀態(tài)叫掛起狀態(tài)，它表示進程沒有占有物理內(nèi)存空間。這跟阻塞狀態(tài)是不一樣，阻塞狀態(tài)是等待某個事件的返回。

由于虛擬內(nèi)存管理原因，進程的所使用的空間可能并沒有映射到物理內(nèi)存，而是在硬盤上，這時進程就會出現(xiàn)掛起狀態(tài)，另外調(diào)用 sleep 也會被掛起。

掛起狀態(tài)可以分為兩種：

• 阻塞掛起狀態(tài)：進程在外存（硬盤）并等待某個事件的出現(xiàn)；

• 就緒掛起狀態(tài)：進程在外存（硬盤），但只要進入內(nèi)存，即刻立刻運行；

這兩種掛起狀態(tài)加上前面的五種狀態(tài)，就變成了七種狀態(tài)變遷（留給我的顏色不多了），見如下圖：

進程的控制結(jié)構(gòu)

在操作系統(tǒng)中，是用進程控制塊（process control block，PCB）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述進程的。

那 PCB 是什么呢？打開知乎搜索你就會發(fā)現(xiàn)這個東西并不是那么簡單。

打住打住，我們是個正經(jīng)的人，怎么會去看那些問題呢？是吧，回來回來。

PCB 是進程存在的唯一標(biāo)識，這意味著一個進程的存在，必然會有一個 PCB，如果進程消失了，那么 PCB 也會隨之消失。

PCB 具體包含什么信息呢？

進程描述信息：

• 進程標(biāo)識符：標(biāo)識各個進程，每個進程都有一個并且唯一的標(biāo)識符；

• 用戶標(biāo)識符：進程歸屬的用戶，用戶標(biāo)識符主要為共享和保護服務(wù)；

進程控制和管理信息：

• 進程當(dāng)前狀態(tài)，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；

• 進程優(yōu)先級：進程搶占 CPU 時的優(yōu)先級；

資源分配清單：

• 有關(guān)內(nèi)存地址空間或虛擬地址空間的信息，所打開文件的列表和所使用的 I/O 設(shè)備信息。

CPU 相關(guān)信息：

• CPU 中各個寄存器的值，當(dāng)進程被切換時，CPU 的狀態(tài)信息都會被保存在相應(yīng)的 PCB 中，以便進程重新執(zhí)行時，能從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。

可見，PCB 包含信息還是比較多的。

每個 PCB 是如何組織的呢？

通常是通過鏈表的方式進行組織，把具有相同狀態(tài)的進程鏈在一起，組成各種隊列。比如：

• 將所有處于就緒狀態(tài)的進程鏈在一起，稱為就緒隊列；

• 把所有因等待某事件而處于等待狀態(tài)的進程鏈在一起就組成各種阻塞隊列；

• 另外，對于運行隊列在單核 CPU 系統(tǒng)中則只有一個運行指針了，因為單核 CPU 在某個時間，只能運行一個程序。

那么，就緒隊列和阻塞隊列鏈表的組織形式如下圖：

除了鏈接的組織方式，還有索引方式，它的工作原理：將同一狀態(tài)的進程組織在一個索引表中，索引表項指向相應(yīng)的 PCB，不同狀態(tài)對應(yīng)不同的索引表。

一般會選擇鏈表，因為可能面臨進程創(chuàng)建，銷毀等調(diào)度導(dǎo)致進程狀態(tài)發(fā)生變化，所以鏈表能夠更加靈活的插入和刪除。

進程的控制

我們熟知了進程的狀態(tài)變遷和進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) PCB 后，再來看看進程的創(chuàng)建、終止、阻塞、喚醒的過程，這些過程也就是進程的控制。

01 創(chuàng)建進程

操作系統(tǒng)允許一個進程創(chuàng)建另一個進程，而且允許子進程繼承父進程所擁有的資源，當(dāng)子進程被終止時，其在父進程處繼承的資源應(yīng)當(dāng)還給父進程。同時，終止父進程時同時也會終止其所有的子進程。

創(chuàng)建進程的過程如下：

• 為新進程分配一個唯一的進程標(biāo)識號，并申請一個空白的 PCB，PCB 是有限的，若申請失敗則創(chuàng)建失敗；

• 為進程分配資源，此處如果資源不足，進程就會進入等待狀態(tài)，以等待資源；

• 初始化 PCB；

• 如果進程的調(diào)度隊列能夠接納新進程，那就將進程插入到就緒隊列，等待被調(diào)度運行；

02 終止進程

進程可以有 3 種終止方式：正常結(jié)束、異常結(jié)束以及外界干預(yù)（信號 kill 掉）。

終止進程的過程如下：

• 查找需要終止的進程的 PCB；

• 如果處于執(zhí)行狀態(tài)，則立即終止該進程的執(zhí)行，然后將 CPU 資源分配給其他進程；

• 如果其還有子進程，則應(yīng)將其所有子進程終止；

• 將該進程所擁有的全部資源都?xì)w還給父進程或操作系統(tǒng)；

• 將其從 PCB 所在隊列中刪除；

03 阻塞進程

當(dāng)進程需要等待某一事件完成時，它可以調(diào)用阻塞語句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一個進程喚醒。

阻塞進程的過程如下：

• 找到將要被阻塞進程標(biāo)識號對應(yīng)的 PCB；

• 如果該進程為運行狀態(tài)，則保護其現(xiàn)場，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)，停止運行；

• 將該 PCB 插入的阻塞隊列中去；

04 喚醒進程

進程由「運行」轉(zhuǎn)變?yōu)椤缸枞範(fàn)顟B(tài)是由于進程必須等待某一事件的完成，所以處于阻塞狀態(tài)的進程是絕對不可能叫醒自己的。

如果某進程正在等待 I/O 事件，需由別的進程發(fā)消息給它，則只有當(dāng)該進程所期待的事件出現(xiàn)時，才由發(fā)現(xiàn)者進程用喚醒語句叫醒它。

喚醒進程的過程如下：

• 在該事件的阻塞隊列中找到相應(yīng)進程的 PCB；

• 將其從阻塞隊列中移出，并置其狀態(tài)為就緒狀態(tài)；

• 把該 PCB 插入到就緒隊列中，等待調(diào)度程序調(diào)度；

進程的阻塞和喚醒是一對功能相反的語句，如果某個進程調(diào)用了阻塞語句，則必有一個與之對應(yīng)的喚醒語句。

進程的上下文切換

各個進程之間是共享 CPU 資源的，在不同的時候進程之間需要切換，讓不同的進程可以在 CPU 執(zhí)行，那么這個一個進程切換到另一個進程運行，稱為進程的上下文切換。

在詳細(xì)說進程上下文切換前，我們先來看看 CPU 上下文切換

大多數(shù)操作系統(tǒng)都是多任務(wù)，通常支持大于 CPU 數(shù)量的任務(wù)同時運行。實際上，這些任務(wù)并不是同時運行的，只是因為系統(tǒng)在很短的時間內(nèi)，讓各個任務(wù)分別在 CPU 運行，于是就造成同時運行的錯覺。

任務(wù)是交給 CPU 運行的，那么在每個任務(wù)運行前，CPU 需要知道任務(wù)從哪里加載，又從哪里開始運行。

所以，操作系統(tǒng)需要事先幫 CPU 設(shè)置好 CPU 寄存器和程序計數(shù)器。

CPU 寄存器是 CPU 內(nèi)部一個容量小，但是速度極快的內(nèi)存（緩存）。我舉個例子，寄存器像是你的口袋，內(nèi)存像你的書包，硬盤則是你家里的柜子，如果你的東西存放到口袋，那肯定是比你從書包或家里柜子取出來要快的多。

再來，程序計數(shù)器則是用來存儲 CPU 正在執(zhí)行的指令位置、或者即將執(zhí)行的下一條指令位置。

所以說，CPU 寄存器和程序計數(shù)是 CPU 在運行任何任務(wù)前，所必須依賴的環(huán)境，這些環(huán)境就叫做 CPU 上下文。

既然知道了什么是 CPU 上下文，那理解 CPU 上下文切換就不難了。

CPU 上下文切換就是先把前一個任務(wù)的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序計數(shù)器）保存起來，然后加載新任務(wù)的上下文到這些寄存器和程序計數(shù)器，最后再跳轉(zhuǎn)到程序計數(shù)器所指的新位置，運行新任務(wù)。

系統(tǒng)內(nèi)核會存儲保持下來的上下文信息，當(dāng)此任務(wù)再次被分配給 CPU 運行時，CPU 會重新加載這些上下文，這樣就能保證任務(wù)原來的狀態(tài)不受影響，讓任務(wù)看起來還是連續(xù)運行。

上面說到所謂的「任務(wù)」，主要包含進程、線程和中斷。所以，可以根據(jù)任務(wù)的不同，把 CPU 上下文切換分成：進程上下文切換、線程上下文切換和中斷上下文切換。

進程的上下文切換到底是切換什么呢？

進程是由內(nèi)核管理和調(diào)度的，所以進程的切換只能發(fā)生在內(nèi)核態(tài)。

所以，進程的上下文切換不僅包含了虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等用戶空間的資源，還包括了內(nèi)核堆棧、寄存器等內(nèi)核空間的資源。

通常，會把交換的信息保存在進程的 PCB，當(dāng)要運行另外一個進程的時候，我們需要從這個進程的 PCB 取出上下文，然后恢復(fù)到 CPU 中，這使得這個進程可以繼續(xù)執(zhí)行，如下圖所示：

大家需要注意，進程的上下文開銷是很關(guān)鍵的，我們希望它的開銷越小越好，這樣可以使得進程可以把更多時間花費在執(zhí)行程序上，而不是耗費在上下文切換。

發(fā)生進程上下文切換有哪些場景？

• 為了保證所有進程可以得到公平調(diào)度，CPU 時間被劃分為一段段的時間片，這些時間片再被輪流分配給各個進程。這樣，當(dāng)某個進程的時間片耗盡了，就會被系統(tǒng)掛起，切換到其它正在等待 CPU 的進程運行；

• 進程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時，要等到資源滿足后才可以運行，這個時候進程也會被掛起，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進程運行；

• 當(dāng)進程通過睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動掛起時，自然也會重新調(diào)度；

• 當(dāng)有優(yōu)先級更高的進程運行時，為了保證高優(yōu)先級進程的運行，當(dāng)前進程會被掛起，由高優(yōu)先級進程來運行；

• 發(fā)生硬件中斷時，CPU 上的進程會被中斷掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序；

以上，就是發(fā)生進程上下文切換的常見場景了。

線程

在早期的操作系統(tǒng)中都是以進程作為獨立運行的基本單位，直到后面，計算機科學(xué)家們又提出了更小的能獨立運行的基本單位，也就是線程。

為什么使用線程？

我們舉個例子，假設(shè)你要編寫一個視頻播放器軟件，那么該軟件功能的核心模塊有三個：

• 從視頻文件當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)；

• 對讀取的數(shù)據(jù)進行解壓縮；

• 把解壓縮后的視頻數(shù)據(jù)播放出來；

對于單進程的實現(xiàn)方式，我想大家都會是以下這個方式：

對于單進程的這種方式，存在以下問題：

• 播放出來的畫面和聲音會不連貫，因為當(dāng) CPU 能力不夠強的時候，Read  的時候可能進程就等在這了，這樣就會導(dǎo)致等半天才進行數(shù)據(jù)解壓和播放；

• 各個函數(shù)之間不是并發(fā)執(zhí)行，影響資源的使用效率；

那改進成多進程的方式：

對于多進程的這種方式，依然會存在問題：

• 進程之間如何通信，共享數(shù)據(jù)？

• 維護進程的系統(tǒng)開銷較大，如創(chuàng)建進程時，分配資源、建立 PCB；終止進程時，回收資源、撤銷 PCB；進程切換時，保存當(dāng)前進程的狀態(tài)信息；

那到底如何解決呢？需要有一種新的實體，滿足以下特性：

• 實體之間可以并發(fā)運行；

• 實體之間共享相同的地址空間；

這個新的實體，就是線程( Thread )，線程之間可以并發(fā)運行且共享相同的地址空間。

什么是線程？

線程是進程當(dāng)中的一條執(zhí)行流程。

同一個進程內(nèi)多個線程之間可以共享代碼段、數(shù)據(jù)段、打開的文件等資源，但每個線程都有獨立一套的寄存器和棧，這樣可以確保線程的控制流是相對獨立的。

線程的優(yōu)缺點？

線程的優(yōu)點：

• 一個進程中可以同時存在多個線程；

• 各個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行；

• 各個線程之間可以共享地址空間和文件等資源；

線程的缺點：

• 當(dāng)進程中的一個線程奔潰時，會導(dǎo)致其所屬進程的所有線程奔潰。

舉個例子，對于游戲的用戶設(shè)計，則不應(yīng)該使用多線程的方式，否則一個用戶掛了，會影響其他同個進程的線程。

線程與進程的比較

線程與進程的比較如下：

• 進程是資源（包括內(nèi)存、打開的文件等）分配的單位，線程是 CPU 調(diào)度的單位；

• 進程擁有一個完整的資源平臺，而線程只獨享必不可少的資源，如寄存器和棧；

• 線程同樣具有就緒、阻塞、執(zhí)行三種基本狀態(tài)，同樣具有狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；

• 線程能減少并發(fā)執(zhí)行的時間和空間開銷；

對于，線程相比進程能減少開銷，體現(xiàn)在：

• 線程的創(chuàng)建時間比進程快，因為進程在創(chuàng)建的過程中，還需要資源管理信息，比如內(nèi)存管理信息、文件管理信息，而線程在創(chuàng)建的過程中，不會涉及這些資源管理信息，而是共享它們；

• 線程的終止時間比進程快，因為線程釋放的資源相比進程少很多；

• 同一個進程內(nèi)的線程切換比進程切換快，因為線程具有相同的地址空間（虛擬內(nèi)存共享），這意味著同一個進程的線程都具有同一個頁表，那么在切換的時候不需要切換頁表。而對于進程之間的切換，切換的時候要把頁表給切換掉，而頁表的切換過程開銷是比較大的；

• 由于同一進程的各線程間共享內(nèi)存和文件資源，那么在線程之間數(shù)據(jù)傳遞的時候，就不需要經(jīng)過內(nèi)核了，這就使得線程之間的數(shù)據(jù)交互效率更高了；

所以，線程比進程不管是時間效率，還是空間效率都要高。

線程的上下文切換

在前面我們知道了，線程與進程最大的區(qū)別在于：線程是調(diào)度的基本單位，而進程則是資源擁有的基本單位。

所以，所謂操作系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，實際上的調(diào)度對象是線程，而進程只是給線程提供了虛擬內(nèi)存、全局變量等資源。

對于線程和進程，我們可以這么理解：

• 當(dāng)進程只有一個線程時，可以認(rèn)為進程就等于線程；

• 當(dāng)進程擁有多個線程時，這些線程會共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源，這些資源在上下文切換時是不需要修改的；

另外，線程也有自己的私有數(shù)據(jù)，比如棧和寄存器等，這些在上下文切換時也是需要保存的。

線程上下文切換的是什么？

這還得看線程是不是屬于同一個進程：

• 當(dāng)兩個線程不是屬于同一個進程，則切換的過程就跟進程上下文切換一樣；

• 當(dāng)兩個線程是屬于同一個進程，因為虛擬內(nèi)存是共享的，所以在切換時，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)；

所以，線程的上下文切換相比進程，開銷要小很多。

線程的實現(xiàn)

主要有三種線程的實現(xiàn)方式：

• 用戶線程（User Thread）：在用戶空間實現(xiàn)的線程，不是由內(nèi)核管理的線程，是由用戶態(tài)的線程庫來完成線程的管理；

• 內(nèi)核線程（Kernel Thread）：在內(nèi)核中實現(xiàn)的線程，是由內(nèi)核管理的線程；

• 輕量級進程（LightWeight Process）：在內(nèi)核中來支持用戶線程；

那么，這還需要考慮一個問題，用戶線程和內(nèi)核線程的對應(yīng)關(guān)系。

首先，第一種關(guān)系是多對一的關(guān)系，也就是多個用戶線程對應(yīng)同一個內(nèi)核線程：

第二種是一對一的關(guān)系，也就是一個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程：

第三種是多對多的關(guān)系，也就是多個用戶線程對應(yīng)到多個內(nèi)核線程：

用戶線程如何理解？存在什么優(yōu)勢和缺陷？

用戶線程是基于用戶態(tài)的線程管理庫來實現(xiàn)的，那么線程控制塊（Thread Control Block, TCB） 也是在庫里面來實現(xiàn)的，對于操作系統(tǒng)而言是看不到這個 TCB 的，它只能看到整個進程的 PCB。

所以，用戶線程的整個線程管理和調(diào)度，操作系統(tǒng)是不直接參與的，而是由用戶級線程庫函數(shù)來完成線程的管理，包括線程的創(chuàng)建、終止、同步和調(diào)度等。

用戶級線程的模型，也就類似前面提到的多對一的關(guān)系，即多個用戶線程對應(yīng)同一個內(nèi)核線程，如下圖所示：

用戶線程的優(yōu)點：

• 每個進程都需要有它私有的線程控制塊（TCB）列表，用來跟蹤記錄它各個線程狀態(tài)信息（PC、棧指針、寄存器），TCB 由用戶級線程庫函數(shù)來維護，可用于不支持線程技術(shù)的操作系統(tǒng)；

• 用戶線程的切換也是由線程庫函數(shù)來完成的，無需用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換，所以速度特別快；

用戶線程的缺點：

• 由于操作系統(tǒng)不參與線程的調(diào)度，如果一個線程發(fā)起了系統(tǒng)調(diào)用而阻塞，那進程所包含的用戶線程都不能執(zhí)行了。

• 當(dāng)一個線程開始運行后，除非它主動地交出 CPU 的使用權(quán)，否則它所在的進程當(dāng)中的其他線程無法運行，因為用戶態(tài)的線程沒法打斷當(dāng)前運行中的線程，它沒有這個特權(quán)，只有操作系統(tǒng)才有，但是用戶線程不是由操作系統(tǒng)管理的。

• 由于時間片分配給進程，故與其他進程比，在多線程執(zhí)行時，每個線程得到的時間片較少，執(zhí)行會比較慢；

以上，就是用戶線程的優(yōu)缺點了。

那內(nèi)核線程如何理解？存在什么優(yōu)勢和缺陷？

內(nèi)核線程是由操作系統(tǒng)管理的，線程對應(yīng)的 TCB 自然是放在操作系統(tǒng)里的，這樣線程的創(chuàng)建、終止和管理都是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

內(nèi)核線程的模型，也就類似前面提到的一對一的關(guān)系，即一個用戶線程對應(yīng)一個內(nèi)核線程，如下圖所示：

內(nèi)核線程的優(yōu)點：

• 在一個進程當(dāng)中，如果某個內(nèi)核線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而被阻塞，并不會影響其他內(nèi)核線程的運行；

• 分配給線程，多線程的進程獲得更多的 CPU 運行時間；

內(nèi)核線程的缺點：

• 在支持內(nèi)核線程的操作系統(tǒng)中，由內(nèi)核來維護進程和線程的上下問信息，如 PCB 和 TCB；

• 線程的創(chuàng)建、終止和切換都是通過系統(tǒng)調(diào)用的方式來進行，因此對于系統(tǒng)來說，系統(tǒng)開銷比較大；

以上，就是內(nèi)核線的優(yōu)缺點了。

最后的輕量級進程如何理解？

輕量級進程（Light-weight process，LWP）是內(nèi)核支持的用戶線程，一個進程可有一個或多個 LWP，每個 LWP 是跟內(nèi)核線程一對一映射的，也就是 LWP 都是由一個內(nèi)核線程支持。

另外，LWP 只能由內(nèi)核管理并像普通進程一樣被調(diào)度，Linux 內(nèi)核是支持 LWP 的典型例子。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，LWP與普通進程的區(qū)別也在于它只有一個最小的執(zhí)行上下文和調(diào)度程序所需的統(tǒng)計信息。一般來說，一個進程代表程序的一個實例，而 LWP 代表程序的執(zhí)行線程，因為一個執(zhí)行線程不像進程那樣需要那么多狀態(tài)信息，所以 LWP 也不帶有這樣的信息。

在 LWP 之上也是可以使用用戶線程的，那么 LWP 與用戶線程的對應(yīng)關(guān)系就有三種：

• 1 : 1，即一個 LWP 對應(yīng) 一個用戶線程；

• N : 1，即一個 LWP 對應(yīng)多個用戶線程；

• N : N，即多個 LMP 對應(yīng)多個用戶線程；

接下來針對上面這三種對應(yīng)關(guān)系說明它們優(yōu)缺點。先下圖的 LWP 模型：

1 : 1 模式

一個線程對應(yīng)到一個 LWP 再對應(yīng)到一個內(nèi)核線程，如上圖的進程 4，屬于此模型。

• 優(yōu)點：實現(xiàn)并行，當(dāng)一個 LWP 阻塞，不會影響其他 LWP；

• 缺點：每一個用戶線程，就產(chǎn)生一個內(nèi)核線程，創(chuàng)建線程的開銷較大。

N : 1 模式

多個用戶線程對應(yīng)一個 LWP 再對應(yīng)一個內(nèi)核線程，如上圖的進程 2，線程管理是在用戶空間完成的，此模式中用戶的線程對操作系統(tǒng)不可見。

• 優(yōu)點：用戶線程要開幾個都沒問題，且上下文切換發(fā)生用戶空間，切換的效率較高；

• 缺點：一個用戶線程如果阻塞了，則整個進程都將會阻塞，另外在多核 CPU  中，是沒辦法充分利用 CPU 的。

M : N 模式

根據(jù)前面的兩個模型混搭一起，就形成 M:N 模型，該模型提供了兩級控制，首先多個用戶線程對應(yīng)到多個 LWP，LWP 再一一對應(yīng)到內(nèi)核線程，如上圖的進程 3。

• 優(yōu)點：綜合了前兩種優(yōu)點，大部分的線程上下文發(fā)生在用戶空間，且多個線程又可以充分利用多核 CPU 的資源。

組合模式

如上圖的進程 5，此進程結(jié)合 1:1 模型和 M:N 模型。開發(fā)人員可以針對不同的應(yīng)用特點調(diào)節(jié)內(nèi)核線程的數(shù)目來達(dá)到物理并行性和邏輯并行性的最佳方案。

調(diào)度

進程都希望自己能夠占用 CPU 進行工作，那么這涉及到前面說過的進程上下文切換。

一旦操作系統(tǒng)把進程切換到運行狀態(tài)，也就意味著該進程占用著 CPU 在執(zhí)行，但是當(dāng)操作系統(tǒng)把進程切換到其他狀態(tài)時，那就不能在 CPU 中執(zhí)行了，于是操作系統(tǒng)會選擇下一個要運行的進程。

選擇一個進程運行這一功能是在操作系統(tǒng)中完成的，通常稱為調(diào)度程序（scheduler）。

那到底什么時候調(diào)度進程，或以什么原則來調(diào)度進程呢？

調(diào)度時機

在進程的生命周期中，當(dāng)進程從一個運行狀態(tài)到另外一狀態(tài)變化的時候，其實會觸發(fā)一次調(diào)度。

比如，以下狀態(tài)的變化都會觸發(fā)操作系統(tǒng)的調(diào)度：

• 從就緒態(tài) -> 運行態(tài)：當(dāng)進程被創(chuàng)建時，會進入到就緒隊列，操作系統(tǒng)會從就緒隊列選擇一個進程運行；

• 從運行態(tài) -> 阻塞態(tài)：當(dāng)進程發(fā)生 I/O 事件而阻塞時，操作系統(tǒng)必須另外一個進程運行；

• 從運行態(tài) -> 結(jié)束態(tài)：當(dāng)進程退出結(jié)束后，操作系統(tǒng)得從就緒隊列選擇另外一個進程運行；

因為，這些狀態(tài)變化的時候，操作系統(tǒng)需要考慮是否要讓新的進程給 CPU 運行，或者是否讓當(dāng)前進程從 CPU 上退出來而換另一個進程運行。

另外，如果硬件時鐘提供某個頻率的周期性中斷，那么可以根據(jù)如何處理時鐘中斷
，把調(diào)度算法分為兩類：

• 非搶占式調(diào)度算法挑選一個進程，然后讓該進程運行直到被阻塞，或者直到該進程退出，才會調(diào)用另外一個進程，也就是說不會理時鐘中斷這個事情。

• 搶占式調(diào)度算法挑選一個進程，然后讓該進程只運行某段時間，如果在該時段結(jié)束時，該進程仍然在運行時，則會把它掛起，接著調(diào)度程序從就緒隊列挑選另外一個進程。這種搶占式調(diào)度處理，需要在時間間隔的末端發(fā)生時鐘中斷，以便把 CPU 控制返回給調(diào)度程序進行調(diào)度，也就是常說的時間片機制。

調(diào)度原則

原則一：如果運行的程序，發(fā)生了 I/O 事件的請求，那 CPU 使用率必然會很低，因為此時進程在阻塞等待硬盤的數(shù)據(jù)返回。這樣的過程，勢必會造成 CPU 突然的空閑。所以，為了提高 CPU 利用率，在這種發(fā)送 I/O 事件致使 CPU 空閑的情況下，調(diào)度程序需要從就緒隊列中選擇一個進程來運行。

原則二：有的程序執(zhí)行某個任務(wù)花費的時間會比較長，如果這個程序一直占用著 CPU，會造成系統(tǒng)吞吐量（CPU 在單位時間內(nèi)完成的進程數(shù)量）的降低。所以，要提高系統(tǒng)的吞吐率，調(diào)度程序要權(quán)衡長任務(wù)和短任務(wù)進程的運行完成數(shù)量。

原則三：從進程開始到結(jié)束的過程中，實際上是包含兩個時間，分別是進程運行時間和進程等待時間，這兩個時間總和就稱為周轉(zhuǎn)時間。進程的周轉(zhuǎn)時間越小越好，如果進程的等待時間很長而運行時間很短，那周轉(zhuǎn)時間就很長，這不是我們所期望的，調(diào)度程序應(yīng)該避免這種情況發(fā)生。

原則四：處于就緒隊列的進程，也不能等太久，當(dāng)然希望這個等待的時間越短越好，這樣可以使得進程更快的在 CPU 中執(zhí)行。所以，就緒隊列中進程的等待時間也是調(diào)度程序所需要考慮的原則。

原則五：對于鼠標(biāo)、鍵盤這種交互式比較強的應(yīng)用，我們當(dāng)然希望它的響應(yīng)時間越快越好，否則就會影響用戶體驗了。所以，對于交互式比較強的應(yīng)用，響應(yīng)時間也是調(diào)度程序需要考慮的原則。

針對上面的五種調(diào)度原則，總結(jié)成如下：

• CPU 利用率：調(diào)度程序應(yīng)確保 CPU 是始終匆忙的狀態(tài)，這可提高 CPU 的利用率；

• 系統(tǒng)吞吐量：吞吐量表示的是單位時間內(nèi) CPU 完成進程的數(shù)量，長作業(yè)的進程會占用較長的 CPU 資源，因此會降低吞吐量，相反，短作業(yè)的進程會提升系統(tǒng)吞吐量；

• 周轉(zhuǎn)時間：周轉(zhuǎn)時間是進程運行和阻塞時間總和，一個進程的周轉(zhuǎn)時間越小越好；

• 等待時間：這個等待時間不是阻塞狀態(tài)的時間，而是進程處于就緒隊列的時間，等待的時間越長，用戶越不滿意；

• 響應(yīng)時間：用戶提交請求到系統(tǒng)第一次產(chǎn)生響應(yīng)所花費的時間，在交互式系統(tǒng)中，響應(yīng)時間是衡量調(diào)度算法好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)。

說白了，這么多調(diào)度原則，目的就是要使得進程要「快」。

調(diào)度算法

不同的調(diào)度算法適用的場景也是不同的。

接下來，說說在單核 CPU 系統(tǒng)中常見的調(diào)度算法。

01 先來先服務(wù)調(diào)度算法

最簡單的一個調(diào)度算法，就是非搶占式的先來先服務(wù)（First Come First Severd, FCFS）算法了。

顧名思義，先來后到，每次從就緒隊列選擇最先進入隊列的進程，然后一直運行，直到進程退出或被阻塞，才會繼續(xù)從隊列中選擇第一個進程接著運行。

這似乎很公平，但是當(dāng)一個長作業(yè)先運行了，那么后面的短作業(yè)等待的時間就會很長，不利于短作業(yè)。

FCFS 對長作業(yè)有利，適用于 CPU 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)，而不適用于 I/O 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)。

02 最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法

最短作業(yè)優(yōu)先（Shortest Job First, SJF）調(diào)度算法同樣也是顧名思義，它會優(yōu)先選擇運行時間最短的進程來運行，這有助于提高系統(tǒng)的吞吐量。

這顯然對長作業(yè)不利，很容易造成一種極端現(xiàn)象。

比如，一個長作業(yè)在就緒隊列等待運行，而這個就緒隊列有非常多的短作業(yè)，那么就會使得長作業(yè)不斷的往后推，周轉(zhuǎn)時間變長，致使長作業(yè)長期不會被運行。

03 高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法

前面的「先來先服務(wù)調(diào)度算法」和「最短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法」都沒有很好的權(quán)衡短作業(yè)和長作業(yè)。

那么，高響應(yīng)比優(yōu)先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）調(diào)度算法主要是權(quán)衡了短作業(yè)和長作業(yè)。

每次進行進程調(diào)度時，先計算「響應(yīng)比優(yōu)先級」，然后把「響應(yīng)比優(yōu)先級」最高的進程投入運行，「響應(yīng)比優(yōu)先級」的計算公式：

從上面的公式，可以發(fā)現(xiàn)：

• 如果兩個進程的「等待時間」相同時，「要求的服務(wù)時間」越短，「響應(yīng)比」就越高，這樣短作業(yè)的進程容易被選中運行；

• 如果兩個進程「要求的服務(wù)時間」相同時，「等待時間」越長，「響應(yīng)比」就越高，這就兼顧到了長作業(yè)進程，因為進程的響應(yīng)比可以隨時間等待的增加而提高，當(dāng)其等待時間足夠長時，其響應(yīng)比便可以升到很高，從而獲得運行的機會；

04 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

最古老、最簡單、最公平且使用最廣的算法就是時間片輪轉(zhuǎn)（Round Robin, RR）調(diào)度算法。
。

每個進程被分配一個時間段，稱為時間片（Quantum），即允許該進程在該時間段中運行。

• 如果時間片用完，進程還在運行，那么將會把此進程從 CPU 釋放出來，并把 CPU 分配另外一個進程；

• 如果該進程在時間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則 CPU 立即進行切換；

另外，時間片的長度就是一個很關(guān)鍵的點：

• 如果時間片設(shè)得太短會導(dǎo)致過多的進程上下文切換，降低了 CPU 效率；

• 如果設(shè)得太長又可能引起對短作業(yè)進程的響應(yīng)時間變長。將

通常時間片設(shè)為 20ms~50ms 通常是一個比較合理的折中值。

05 最高優(yōu)先級調(diào)度算法

前面的「時間片輪轉(zhuǎn)算法」做了個假設(shè)，即讓所有的進程同等重要，也不偏袒誰，大家的運行時間都一樣。

但是，對于多用戶計算機系統(tǒng)就有不同的看法了，它們希望調(diào)度是有優(yōu)先級的，即希望調(diào)度程序能從就緒隊列中選擇最高優(yōu)先級的進程進行運行，這稱為最高優(yōu)先級（Highest Priority First，HPF）調(diào)度算法。

進程的優(yōu)先級可以分為，靜態(tài)優(yōu)先級或動態(tài)優(yōu)先級：

• 靜態(tài)優(yōu)先級：創(chuàng)建進程時候，就已經(jīng)確定了優(yōu)先級了，然后整個運行時間優(yōu)先級都不會變化；

• 動態(tài)優(yōu)先級：根據(jù)進程的動態(tài)變化調(diào)整優(yōu)先級，比如如果進程運行時間增加，則降低其優(yōu)先級，如果進程等待時間（就緒隊列的等待時間）增加，則升高其優(yōu)先級，也就是隨著時間的推移增加等待進程的優(yōu)先級。

該算法也有兩種處理優(yōu)先級高的方法，非搶占式和搶占式：

• 非搶占式：當(dāng)就緒隊列中出現(xiàn)優(yōu)先級高的進程，運行完當(dāng)前進程，再選擇優(yōu)先級高的進程。

• 搶占式：當(dāng)就緒隊列中出現(xiàn)優(yōu)先級高的進程，當(dāng)前進程掛起，調(diào)度優(yōu)先級高的進程運行。

但是依然有缺點，可能會導(dǎo)致低優(yōu)先級的進程永遠(yuǎn)不會運行。

06 多級反饋隊列調(diào)度算法

多級反饋隊列（Multilevel Feedback Queue）調(diào)度算法是「時間片輪轉(zhuǎn)算法」和「最高優(yōu)先級算法」的綜合和發(fā)展。

顧名思義：

• 「多級」表示有多個隊列，每個隊列優(yōu)先級從高到低，同時優(yōu)先級越高時間片越短。

• 「反饋」表示如果有新的進程加入優(yōu)先級高的隊列時，立刻停止當(dāng)前正在運行的進程，轉(zhuǎn)而去運行優(yōu)先級高的隊列；

來看看，它是如何工作的：

• 設(shè)置了多個隊列，賦予每個隊列不同的優(yōu)先級，每個隊列優(yōu)先級從高到低，同時優(yōu)先級越高時間片越短；

• 新的進程會被放入到第一級隊列的末尾，按先來先服務(wù)的原則排隊等待被調(diào)度，如果在第一級隊列規(guī)定的時間片沒運行完成，則將其轉(zhuǎn)入到第二級隊列的末尾，以此類推，直至完成；

• 當(dāng)較高優(yōu)先級的隊列為空，才調(diào)度較低優(yōu)先級的隊列中的進程運行。如果進程運行時，有新進程進入較高優(yōu)先級的隊列，則停止當(dāng)前運行的進程并將其移入到原隊列末尾，接著讓較高優(yōu)先級的進程運行；

可以發(fā)現(xiàn)，對于短作業(yè)可能可以在第一級隊列很快被處理完。對于長作業(yè)，如果在第一級隊列處理不完，可以移入下次隊列等待被執(zhí)行，雖然等待的時間變長了，但是運行時間也會更長了，所以該算法很好的兼顧了長短作業(yè)，同時有較好的響應(yīng)時間。

看的迷迷糊糊？那我拿去銀行辦業(yè)務(wù)的例子，把上面的調(diào)度算法串起來，你還不懂，你錘我！

辦理業(yè)務(wù)的客戶相當(dāng)于進程，銀行窗口工作人員相當(dāng)于 CPU。

現(xiàn)在，假設(shè)這個銀行只有一個窗口（單核 CPU ），那么工作人員一次只能處理一個業(yè)務(wù)。

那么最簡單的處理方式，就是先來的先處理，后面來的就乖乖排隊，這就是先來先服務(wù)（FCFS）調(diào)度算法。但是萬一先來的這位老哥是來貸款的，這一談就好幾個小時，一直占用著窗口，這樣后面的人只能干等，或許后面的人只是想簡單的取個錢，幾分鐘就能搞定，卻因為前面老哥辦長業(yè)務(wù)而要等幾個小時，你說氣不氣人？

有客戶抱怨了，那我們就要改進，我們干脆優(yōu)先給那些幾分鐘就能搞定的人辦理業(yè)務(wù)，這就是短作業(yè)優(yōu)先（SJF）調(diào)度算法。聽起來不錯，但是依然還是有個極端情況，萬一辦理短業(yè)務(wù)的人非常的多，這會導(dǎo)致長業(yè)務(wù)的人一直得不到服務(wù)，萬一這個長業(yè)務(wù)是個大客戶，那不就撿了芝麻丟了西瓜

那就公平起見，現(xiàn)在窗口工作人員規(guī)定，每個人我只處理 10 分鐘。如果 10 分鐘之內(nèi)處理完，就馬上換下一個人。如果沒處理完，依然換下一個人，但是客戶自己得記住辦理到哪個步驟了。這個也就是時間片輪轉(zhuǎn)（RR）調(diào)度算法。但是如果時間片設(shè)置過短，那么就會造成大量的上下文切換，增大了系統(tǒng)開銷。如果時間片過長，相當(dāng)于退化成退化成 FCFS 算法了。

既然公平也可能存在問題，那銀行就對客戶分等級，分為普通客戶、VIP 客戶、SVIP 客戶。只要高優(yōu)先級的客戶一來，就第一時間處理這個客戶，這就是最高優(yōu)先級（HPF）調(diào)度算法。但依然也會有極端的問題，萬一當(dāng)天來的全是高級客戶，那普通客戶不是沒有被服務(wù)的機會，不把普通客戶當(dāng)人是嗎？那我們把優(yōu)先級改成動態(tài)的，如果客戶辦理業(yè)務(wù)時間增加，則降低其優(yōu)先級，如果客戶等待時間增加，則升高其優(yōu)先級。

那有沒有兼顧到公平和效率的方式呢？這里介紹一種算法，考慮的還算充分的，多級反饋隊列（MFQ）調(diào)度算法，它是時間片輪轉(zhuǎn)算法和優(yōu)先級算法的綜合和發(fā)展。它的工作方式：

• 銀行設(shè)置了多個排隊（就緒）隊列，每個隊列都有不同的優(yōu)先級，各個隊列優(yōu)先級從高到低，同時每個隊列執(zhí)行時間片的長度也不同，優(yōu)先級越高的時間片越短。

• 新客戶（進程）來了，先進入第一級隊列的末尾，按先來先服務(wù)原則排隊等待被叫號（運行）。如果時間片用完客戶的業(yè)務(wù)還沒辦理完成，則讓客戶進入到下一級隊列的末尾，以此類推，直至客戶業(yè)務(wù)辦理完成。

• 當(dāng)?shù)谝患夑犃袥]人排隊時，就會叫號二級隊列的客戶。如果客戶辦理業(yè)務(wù)過程中，有新的客戶加入到較高優(yōu)先級的隊列，那么此時辦理中的客戶需要停止辦理，回到原隊列的末尾等待再次叫號，因為要把窗口讓給剛進入較高優(yōu)先級隊列的客戶。

可以發(fā)現(xiàn)，對于要辦理短業(yè)務(wù)的客戶來說，可以很快的輪到并解決。對于要辦理長業(yè)務(wù)的客戶，一下子解決不了，就可以放到下一個隊列，雖然等待的時間稍微變長了，但是輪到自己的辦理時間也變長了，也可以接受，不會造成極端的現(xiàn)象，可以說是綜合上面幾種算法的優(yōu)點。

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