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  • 我们常说进程是操作系统分配资源的基本单位,线程是CPU调度的基本单位,但这是为什么? 在Linux中每一个进程都是由task_struct结构体来实现的,轻量级进程也就是我们所说的线程它也是一个task_struct结构体实现,...

    进程和线程两个容易混淆,首先在Linux内核中是没有线程这个概念的,我们常说的线程其实是轻量级进程的概念:LWP,线程概念其实是C库中的。

    我们常说进程是操作系统分配资源的基本单位,线程是CPU调度的基本单位,但这是为什么?

      在Linux中每一个进程都是由task_struct结构体来实现的,轻量级进程也就是我们所说的线程它也是一个task_struct结构体实现,当一个程序运行时,操作系用会给这个进程分进程虚拟地址空间,而一个进程中可能存在多个线程来完成不同的事情,把线程的task_struct加载到一个双端队列上从而让CPU去进行调度。

     

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  • 操作系统只有用户级线程,则处理机调度的基本单位是什么?是进程还是线程?</p>
  • 线程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的切换,从一个进程的线程切换到另一个进程中线程时,会引起进程切换。 c.系统开销 由于创建或撤销进程时,系统都要为之分配或回收资源,如内存空间...

    【计算机操作系统】进程管理详解?进程与线程区别是什么?进程调度的算法有哪些?进程通信有哪些?

    1.进程与线程的区别是什么(高频)?

    a.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。

    b.调度

    线程是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的切换,从一个进程的线程切换到另一个进程中线程时,会引起进程切换。

    c.系统开销

    由于创建或撤销进程时,系统都要为之分配或回收资源,如内存空间、I/O设备,所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。 在进程进程切换时,涉及当前执行进程CPU环境的保存以及新调度进程CPU环境的设置,而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内存,开销很小;

    d.通信方法

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

    2.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

    3.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:

    • 先来先服务(按照请求顺序);
    • 短作业优先(按照运行时间最短的顺序调度);
    • 最短剩余时间优先(按照剩余运行时间调度顺序调度);

    交互式系统:

    • 时间片轮转;
    • 优先级调度;

    4.进程同步与进程通信

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

    5.进程同步

    • 临界区: 对临界资源进行访问的那段代码被称为临界区;
    • 同步与互斥: 同步多个进程有一定的先后执行关系;互斥是多个进程在同一时刻只能有一个进程能进入临界区;
    • 信号量: 信号量是一个整型变量,可以对其执行down和up操作,即常见的P和V操作;
    • 管程: 使用信号量机制实现的生产者消费者问题需要客户端代码做很多控制,而管程把控制的代码独立出来了。

    哲学家就餐的问题,如何防止死锁的发生,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就餐;

    6.进程通信(高频)

    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;

    为了能够达到进程同步的目的,需要让进程间进行通信,传输一些进程同步所需要的信息;

    a.管道

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

    • 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;

    b.FIFO命名管道

    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。常用于客户进程和服务器进程之间传递数据。

    c.消息队列

    相比较FIFO,消息队列:

    • 可以独立于读写进程存在;
    • 避免了FIFO的同步阻塞问题;
    • 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。

    d.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;

    e.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;

    f.套接字

    与其它通信机制不同,它可用于不同机器间的进程通信;

    相关问题对比:

    进程通信:管道、FIFO、消息队列、共享存储、信号量、套接字

    线程通信:共享变量、阻塞唤醒、管道

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  • 进程调度

    2021-05-13 11:15:39
    线程CPU调度的基本单位。 一个单核CPU在某一时刻只能允许一个线程执行,但是现在的计算机总是有一大堆进/线程等待执行。这就需要某种规则来决定处理这些进/线程的顺序,这就是调度要研究的问题。 回忆之前提到的...

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    调度的概念

    首先,在《进程与线程基础》一文中,我们已经了解到:

    • 进程是资源分配的基本单位;
    • 线程是CPU调度的基本单位。

    一个单核CPU在某一时刻只能允许一个线程执行,但是现在的计算机总是有一大堆进/线程等待执行。这就需要某种规则来决定处理这些进/线程的顺序,这就是调度要研究的问题。

    回忆之前提到的进程状态:

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    运行态:当前正在占有CPU的进/线程;

    就绪态:具备运行条件,等待系统分配CPU的进/线程;

    阻塞态:不具备运行条件,正在等待某外部事件发生的进/线程。

    所谓进程调度,就是指在处于就绪态的一堆进/线程里,按照一定的调度算法,选出一个进/线程并给它分配CPU时间让它运行,从而实现多进程/多线程的并发执行。

    进程调度与线程调度尽管有些不同,但大部分是相同的,本文仅关注二者共同的部分。

    进程切换的基本流程:

    1. 首先用户态必须切换到内核态;
    2. 保存当前进程的状态,包括在其PCB中保存CPU各寄存器值,以便日后重新执行;
    3. 调度算法选定一个新进程;
    4. 新进程的内存地址空间重新装入MMU(内存管理单元);
    5. 新进程开始执行。

    调度目标

    所有系统

    对于所有系统,都应该有以下调度目标:

    • 公平——给每个进程公平的CPU份额;
    • 策略强制执行——保证规定的调度策略被执行;
    • 平衡——保证系统的所有部分都在忙碌。

    批处理系统

    批处理系统更适合非抢占式调度算法(见下文),应有以下调度目标:

    • 吞吐量——每小时最大作业数;
    • 周转时间——从提交到终止的最短时间;
    • CPU利用率——保持CPU始终忙碌。

    交互式系统

    交互式系统更适合抢占式调度算法(见下文),应有以下调度目标:

    • 响应时间——快速响应请求;
    • 均衡性——满足用户的期望。

    实时系统

    对于实时系统,应有以下调度目标:

    • 满足截止时间——避免丢失数据;
    • 可预测性——如多媒体系统中避免品质降低。

    调度算法

    进程调度的核心自然是调度规则,即各种调度算法。

    计算机都有一个硬件时钟,也叫RTC或CMOS,它独立于操作系统,由主板上一块电池供电的芯片,所以即使计算机断电,RTC也可以维持时间。这个硬件时钟会周期性的发出时钟中断。

    根据如何处理时钟中断,可以把调度算法分为两类:

    • 非抢占式调度算法:发生时钟中断时不调度;
    • 抢占式调度算法:通过时钟中断使CPU控制权返回给调度程序,进而调度其它进程。

    非抢占式调度算法:正在运行的进程只有在该进程执行完成或发生阻塞(如I/O请求)的情况下才会释放CPU;

    抢占式调度算法:分给进程的时间片耗尽之后,无论当前进程有没有执行完成,调度程序均选择其他进程执行。

    非抢占式调度算法

    先来先服务

    先来先服务算法(FCFS):按照进程请求CPU的顺序调度它们。

    意思就是,所有的就绪状态的进程在一个队列中,申请使用CPU的进程按照先来后到的顺序排在队列尾部,每执行完一个进程,系统就从该队列的头部取出第一个进程来执行。

    优点

    • 易于理解且算法实现简单;

    缺点

    • 对短进程不利。排在长进程后面的短进程需要等待很长时间,短进程的响应时间可能会很长。

    最短作业优先

    最短作业优先算法(SJF):每次调度时选择当前已到达的、且运行时间最短的作业。

    优点

    • 对比FCFS,平均等待时间、平均周转时间、平均带权周转时间均有提高;

    缺点

    • 需提前掌握各作业的运行时间;

    • 对长作业不利。因为如果一直有短作业到来,那么长作业永远得不到调度,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。

    周转时间:从进程请求CPU到进程执行完毕为止的统计平均时间。

    非抢占式优先级调度

    优先级调度:每个进程被赋予一个优先级,允许优先级最高的可运行进程先运行。

    对于非抢占式优先级调度,当一个进程到达就绪队列时,比较它的优先级与当前运行进程的优先级。如果新到达进程的优先级高于当前运行进程的优先级,非抢占优先级调度算法只是将新的进程加到就绪队列的头部,而不会进行进程切换。

    缺点

    • 若有源源不断的高优先级进程到来,低优先级进程会导致饥饿。

    抢占式调度算法

    最短剩余时间优先

    最短剩余时间优先(SRTN):当一个新的进程到达时,把它所需要的整个运行时间与当前进程的剩余运行时间作比较。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。

    优点

    • 可以使新的短进程得到良好的服务。

    缺点

    • 需提前掌握各进程的运行时间;
    • 对长进程不利。

    最短剩余时间优先(SRTN)是最短作业优先的抢占式版本。

    轮转调度

    轮转调度(RR):每个进程被分配一个时间段,称为时间片,即允许该进程在该时间段内运行。如果在时间片结束时该进程还在运行,则剥夺其CPU并分配给另一个进程;如果该进程在时间片结束前阻塞或结束,则立即进行进程切换。

    轮转调度算法对每个进程都一视同仁,就好比大家都排好队,一个一个来,每个人都运行一会儿再接着重新排队等待运行。

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    优点

    • 易理解且算法易实现;
    • 可以兼顾长进程和短进程。

    缺点

    • 平均等待时间较长,频繁上下文切换比较费时;

    • 时间片的长度选取困难。

    时间片设置的太短会导致过多的进程切换,降低CPU效率;

    时间片设置的太长又可能会引起对短的交互请求的响应时间变长。

    通常时间片设为20-50ms是一个较合理的折中。

    抢占式优先级调度

    优先级调度:每个进程被赋予一个优先级,允许优先级最高的可运行进程先运行。

    优先级调度的问题在于高优先级进程可能无休止地运行下去,对此有两种解决方案:

    • 调度程序可能在每个时钟中断降低当前进程的优先级。如果调整后该进程的优先级低于次高优先级的进程,则进行进程切换。
    • 给每个进程赋予一个允许运行的最大时间片,时间片耗尽,次高优先级的进程就获得运行机会。

    优先级有静态赋予动态赋予两种方式。

    静态赋予即在创建进程时人为确定进程的优先级,并且规定它在进程的整个运行期间保持不变;

    动态赋予即在创建进程时赋予该进程一个初始优先级,然后系统根据进程的执行情况的变化而不断改变其优先级,以便获得更好的调度性能。

    对于抢占式优先级调度,当一个进程到达就绪队列时,比较它的优先级与当前运行进程的优先级。如果新到达进程的优先级高于当前运行进程的优先级,那么抢占式优先级调度算法就会进行进程切换,让新到的高优先级进程运行。

    多级反馈队列

    多级反馈队列:在系统中设置多个就绪队列,并为每个队列赋予不同的优先级,从第一个开始逐个降低。不同队列中的进程所赋予的执行时间也不同,优先级越高,时间片越小。

    • 首先调度优先级高的队列中的进程。若高优先级中队列中已没有调度的进程,则调度次优先级队列中的进程;

    • 对于同一个队列中的各个进程,按照时间片轮转调度

    • 当一个进程用完分配的时间片后,它被移到低一级优先级队列。

    彩票调度

    彩票调度:为进程提供各种系统资源(如CPU时间)的彩票。一旦要做出调度决策时,就随机抽取一张彩票,拥有该彩票的进程则获得该资源。

    为了增加重要进程“中彩票”的机率,可以给它们额外的彩票。

    公平分享调度

    公平分享调度:考虑进程的拥有者是谁,保证每个用户公平的分享CPU。

    之前的调度算法都不关注进程所有者是谁。这样做的结果是,如果用户1启动9个进程而用户2启动1个进程,使用轮转或相同优先级调度算法,那么用户1将得到90%的CPU时间,而用户2只得到10%的CPU时间。

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  • 线程:线程是进程的一个实体,也是 CPU 调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位,有时又被称为轻权进程或轻量级进程。 进程与线程的区别? 进程是资源分配的最小单位,而线程是 CPU 调度的...

    进程和线程的基本概念

    进程:进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位,是系统中的并发执行的单位。
    线程:线程是进程的一个实体,也是 CPU 调度和分派的基本单位,它是比进程更小的能独立运行的基本单位,有时又被称为轻权进程或轻量级进程。

    进程与线程的区别?

    1. 进程是资源分配的最小单位,而线程是 CPU 调度的最小单位;
    2. 创建进程或撤销进程,系统都要为之分配或回收资源,操作系统开销远大于创建或撤销线程时的开销;
    3. 不同进程地址空间相互独立,同一进程内的线程共享同一地址空间。一个进程的线程在另一个进程内是不可见的;
    4. 进程间不会相互影响,而一个线程挂掉将可能导致整个进程挂掉;

    为什么有了进程,还要有线程呢?

    进程可以使多个程序并发执行,以提高资源的利用率和系统的吞吐量,但是其带来了一些缺点:
    1.进程在同一时间只能干一件事情;
    2.进程在执行的过程中如果阻塞,整个进程就会被挂起,即使进程中有些工作不依赖与等待的资源,仍然不会执行。
    基于以上的缺点,操作系统引入了比进程粒度更小的线程,作为并发执行的基本单位,从而减少程序在并发执行时所付出的时间和空间开销,提高并发性能。

    进程的状态转换

    进程包括三种状态:就绪态、运行态和阻塞态。
    进程状态转换
    1.就绪 —> 执行:对就绪状态的进程,当进程调度程序按一种选定的策略从中选中一个就绪进程,为之分配了处理机后,该进程便由就绪状态变为执行状态。
    2.执行 —> 阻塞:正在执行的进程因发生某等待事件而无法执行,则进程由执行状态变为阻塞状态,如进程提出输入/输出请求而变成等待外部设备传输信息的状态,进程申请资源(主存空间或外部设备)得不到满足时变成等待资源状态,进程运行中出现了故障(程序出错或主存储器读写错等)变成等待干预状态等等。
    3.阻塞 —> 就绪:处于阻塞状态的进程,在其等待的事件已经发生,如输入/输出完成,资源得到满足或错误处理完毕时,处于等待状态的进程并不马上转入执行状态,而是先转入就绪状态,然后再由系统进程调度程序在适当的时候将该进程转为执行状态。
    4.执行 —> 就绪:正在执行的进程,因时间片用完而被暂停执行,或在采用抢先式优先级调度算法的系统中,当有更高优先级的进程要运行而被迫让出处理机时,该进程便由执行状态转变为就绪状态。

    进程同步机制

    原子操作、信号量机制、自旋锁管程、会合、分布式系统

    进程间的通信方式有哪些?

    进程间通信(IPC,InterProcess Communication)是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC 的方式通常有管道(包括无名管道和命名管道)、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams 等。其中 Socket 和 Streams 支持不同主机上的两个进程 IPC。
    管道

    1. 它是半双工的,具有固定的读端和写端;
    2. 它只能用于父子进程或者兄弟进程之间的进程的通信;
    3. 它可以看成是一种特殊的文件,对于它的读写也可以使用普通的 read、write 等函数。但是它不是普通的文件,并不属于其他任何文件系统,并且只存在于内存中。

    命名管道
    1.FIFO 可以在无关的进程之间交换数据,与无名管道不同;
    2.FIFO 有路径名与之相关联,它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中。

    消息队列

    1. 消息队列,是消息的链接表,存放在内核中。一个消息队列由一个标识符 ID 来标识;
    2. 消息队列是面向记录的,其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级;
    3. 消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时,消息队列及其内容并不会被删除;
    4. 消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

    信号量
    1.信号量(semaphore)是一个计数器。用于实现进程间的互斥与同步,而不是用于存储进程间通信数据;
    2. 信号量用于进程间同步,若要在进程间传递数据需要结合共享内存;
    3. 信号量基于操作系统的 PV 操作,程序对信号量的操作都是原子操作;
    4. 每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1,而且可以加减任意正整数;
    5. 支持信号量组。

    共享内存
    1.共享内存(Shared Memory),指两个或多个进程共享一个给定的存储区;
    2.共享内存是最快的一种 IPC,因为进程是直接对内存进行存取。

    进程的调度算法有哪些?

    调度算法是指:根据系统的资源分配策略所规定的资源分配算法。常用的调度算法有:先来先服务调度算法、时间片轮转调度法、短作业优先调度算法、最短剩余时间优先、高响应比优先调度算法、优先级调度算法等等。

    先来先服务调度算法
    先来先服务调度算法是一种最简单的调度算法,也称为先进先出或严格排队方案。当每个进程就绪后,它加入就绪队列。当前正运行的进程停止执行,选择在就绪队列中存在时间最长的进程运行。该算法既可以用于作业调度,也可以用于进程调度。先来先去服务比较适合于常作业(进程),而不利于段作业(进程)。

    时间片轮转调度算法
    时间片轮转调度算法主要适用于分时系统。在这种算法中,系统将所有就绪进程按到达时间的先后次序排成一个队列,进程调度程序总是选择就绪队列中第一个进程执行,即先来先服务的原则,但仅能运行一个时间片。

    短作业优先调度算法
    短作业优先调度算法是指对短作业优先调度的算法,从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业,将它们调入内存运行。 短作业优先调度算法是一个非抢占策略,他的原则是下一次选择预计处理时间最短的进程,因此短进程将会越过长作业,跳至队列头。

    最短剩余时间优先调度算法
    最短剩余时间是针对最短进程优先增加了抢占机制的版本。在这种情况下,进程调度总是选择预期剩余时间最短的进程。当一个进程加入到就绪队列时,他可能比当前运行的进程具有更短的剩余时间,因此只要新进程就绪,调度程序就能可能抢占当前正在运行的进程。像最短进程优先一样,调度程序正在执行选择函数是必须有关于处理时间的估计,并且存在长进程饥饿的危险。

    高响应比优先调度算法
    高响应比优先调度算法主要用于作业调度,该算法是对 先来先服务调度算法和短作业优先调度算法的一种综合平衡,同时考虑每个作业的等待时间和估计的运行时间。在每次进行作业调度时,先计算后备作业队列中每个作业的响应比,从中选出响应比最高的作业投入运行。

    优先级调度算法
    优先级调度算法每次从后备作业队列中选择优先级最髙的一个或几个作业,将它们调入内存,分配必要的资源,创建进程并放入就绪队列。在进程调度中,优先级调度算法每次从就绪队列中选择优先级最高的进程,将处理机分配给它,使之投入运行。

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进程是调度的基本单位