进程与线程

2016-08-16 本文已影响0人 a4e794140953

注意:

多线程可以提高CPU利用率，不能提高内存利用率

进程七状态转换图
活动就绪------suspend------>静止就绪
活动就绪<------active------静止就绪
活动阻塞------suspend------>静止阻塞
活动阻塞<------active------静止阻塞
运行-->就绪原因：时间片用完/被抢占（优先级等）
进程挂起的原因有：
1、终端用户的请求
2、父进程的请求
3、负荷调节的需要
4、操作系统的需要
进程出现故障将进入终止状态

wait()、notify()和notifyAll()：Object类中的方法
从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息：
1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。
2）调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）
3）调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程；
4）调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程；
有朋友可能会有疑问：为何这三个不是Thread类声明中的方法，而是Object类中声明的方法（当然由于Thread类继承了Object类，所以Thread也可以调用者三个方法）？其实这个问题很简单，由于每个对象都拥有monitor（即锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。
Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；(Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition。)
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用Conditon中的await()对应Object的wait()； Condition中的signal()对应Object的notify()； Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()
ThreadLocal类用于创建一个线程本地变量
ThreadLocal存放的值是线程封闭，线程间互斥的，主要用于线程内共享一些数据，避免通过参数来传递
线程的角度看，每个线程都保持一个对其线程局部变量副本的隐式引用，只要线程是活动的并且 ThreadLocal 实例是可访问的；在线程消失之后，其线程局部实例的所有副本都会被垃圾回收
在Thread类中有一个Map，用于存储每一个线程的变量的副本。
对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式
sleep()
sleep()是Thread类中的方法，而wait()则是Object类中的方法。sleep()方法导致了程序暂停，但是他的监控状态依然保持着，当指定的时间到了又会自动恢复运行状态。在调用sleep()方法的过程中，线程不会释放对象锁。 wait()方法会导致线程放弃对象锁，进入等待此对象的等待锁定池，只有针对此对象调用notify()方法后本线程才进入对象锁定池准备获取对象锁进入运行状态。
注意是准备获取对象锁进入运行状态，而不是立即获得

创建进程：

申请空白PCB（进程控制块）；
为新进程分派资源；
初始化PCB；
将新进程插入就绪队列；

进程控制块PCB（Process Control Block）

注意：

Unix操作系统的进程控制块中常驻内存的是proc
Linux创建进程的时候，同时创建进程控制块和进程对应的堆栈。该堆栈分为用户栈和系统栈，也就是核心栈。用户栈在用户态使用，用来保存局部变量，函数参数等，而系统栈在进程陷入内核态使用，里面保存的是用户栈的地址，以及在进行进程上下文切换时需要保存的参数，返回值等。因为每个进程都有可能发生系统调用陷入内核，从用户态到内核态发生一个中断，那么内核栈就会保存这个进程操作内核的调用信息，如果常驻内存的话就会被下个进程发生的系统调用的信息覆盖掉，所以内核栈是不会常驻内存的
proc存放的是系统经常要查询和修改的信息，需要快速访问，因此常将其装入内存。

PCB一般包括：

程序ID（PID、进程句柄）：它是唯一的，一个进程都必须对应一个PID。PID一般是整型数字
特征信息：一般分系统进程、用户进程、或者内核进程等
进程状态：运行、就绪、阻塞，表示进程现的运行情况
优先级：表示获得CPU控制权的优先级大小
通信信息：进程之间的通信关系的反映，由于操作系统会提供通信信道
现场保护区：保护阻塞的进程用
资源需求、分配控制信息
进程实体信息，指明程序路径和名称，进程数据在物理内存还是在交换分区（分页）中
其他信息：工作单位，工作区，文件信息等

Linux下多线程编程常用的pthread库提供的函数名和意义
pthread_create 创建一个线程
pthread_join用来等待一个线程的结束
pthread_mutex_init 初始化一个线程互斥锁
pthread_exit结束一个线程

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

通信方法:

高级通信： 文件记录及锁定，管道、信号、共享内存、Socket通信、远程过程调用（RPC），消息传递（直接：消息缓冲区；间接：信箱）等。
低级通信：管程，信号量。

管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
有名管道 (named pipe) ：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。
信号量( semophore ) ：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
消息队列( message queue ) ：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
信号 ( signal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。
共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。
套接字( socket ) ：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

fork

fork()
使用fork函数得到的子进程从父进程的继承了整个进程的地址空间，包括：进程上下文、进程堆栈、内存信息、打开的文件描述符、信号控制设置、进程优先级、进程组号、当前工作目录、根目录、资源限制、控制终端等。
子进程与父进程的区别在于：
1、父进程设置的锁，子进程不继承（因为如果是排它锁，被继承的话，矛盾了）
2、各自的进程ID和父进程ID不同
3、子进程的未决告警被清除；
4、子进程的未决信号集设置为空集。 -mickole博客

sleep()方法强制使当前线程休眠，释放CPU资源，以便使得其他所有线程有机会运行。
yield()方法使得当前的线程让出CPU的使用权，以使得比该线程优先级相同或更高的线程有机会运行。该线程在让出CPU使用权之后可能再次被选中，因此yield()方法可能会不起作用(这也说明了yield()方法不会使得比当前线程优先级低的线程运行)。
java虚拟机中如果多个线程优先级相同，则会随机选择一个线程占用CPU，处于运行状态的线程会一直运行，直至它不得不放弃CPU为止，因此不一定是分时调度。
分时调度模型是让所有线程轮流获得CPU使用权。

进程互斥实现机制

信号量
对于记录型信号量，当 s<0 的时候，请求进程会阻塞
对于整型信号量，当s<=0的时候，请求进程不会阻塞，而是进入盲等状态

-和+，DOWN（）和UP（），SLEEP（）和WAKEUP（），P（）和V（），Wait() 和Signal()。虽然它们名字都不一样，可意思都是相同的。前者是申请资源，后者是释放资源。
生产者与消费者
 生产者与消费者
举例:
单生产者单消费者:

#define N 100
typedef int semaphore;
semaphore empty = N;
semaphore full = 0;
void producer(void)
{
    int item;
    while(TRUE){
        item = produce_item();
        down(&empty);
        insert_item(item);
        up(&full);
    }
}
void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE){
        down(&full);
        item = remove_item();
        up(&empty);
        consume_item(item);
    }
}

多生产者多消费者：

#define N 100
typedef int semaphore;
semaphore mutex = 1;
semaphore empty = N;
semaphore full = 0;
void producer(void)
{
    int item;
    while(TRUE){
        item = produce_item();
        down(&empty);
        down(&mutex);
        insert_item(item);
        up(&full);
        up(&mutex);
    }
}
void consumer(void)
{
    int item;
    while(TRUE){
        down(&full);
        down(&mutex);
        item = remove_item();
        up(&empty);
        up(&mutex);
        consume_item(item);
    }
}

低级调度

如果系统只有用户态线程，则线程对操作系统是不可见的，操作系统只能调度进程；
如果系统中有内核态线程，则操作系统可以按线程进行调度；
系统态，即内核态，三种情况下会出现由用户态转为内核态，中断，异常，系统调用