• 进程、线程、协程
    • 进程间通信方式
    • 进程调度算法
    • 零拷贝
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进程、线程与协程

  • 进程：

系统进行资源分配和调度的基本单位，是应用程序运行的载体。
进程是一个抽象的概念，一般由程序、数据集合和进程控制块三部分组成。
程序用于描述进程要完成的功能，是控制进程执行的指令集；数据集合是程序在执行时所需要的数据和工作区；程序控制块(Program Control Block，简称PCB)，包含进程的描述信息和控制信息，是进程存在的唯一标志。
多进程中的数据天然是隔离的，不存在并发的问题；但是创建线程时间上面的开销很慢

  • 线程：

线程是进程的一个实体，一个进程可以由多个线程，是 CPU 调度与分派的基本单位，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成，共享进程的内存空间。
它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程中可以并发多个线程，每条线程并行执行不同的任务。

  • 协程

轻量级的线程，一个线程拥有多个协程；协程的暂停完全由程序控制，发生在用户态，没有内核切换的开销

  1. 线程的切换由操作系统负责调度，协程由用户自己进行调度
  2. 线程 Stack 默认为 1M，协程更加轻量，接近 1K
  3. 由于在同一个线程上，避免的竞争关系而使用锁
  4. 适用于被阻塞且需要大量并发的场景。但不适合大量计算的多线程

    进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

  • 管道

半双工
只用于父子进程，兄弟进程
单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。

  • 有名管道(FIFO)

有名管道的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与有名管道的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过有名管道相互通信，因此，通过有名管道不相关的进程也能交换数据

  • 信号(Signal)

信号是Linux系统中用于进程间互相通信或者操作的一种机制，信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。
如果该进程当前并未处于执行状态，则该信号就有内核保存起来，知道该进程回复执行并传递给它为止。
如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消是才被传递给进程。

  • 消息(Message)队列

消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。
与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。
另外与管道不同的是，消息队列在某个进程往一个队列写入消息之前，并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达。

  • 共享内存(share memory)

多个进程可以可以直接读写同一块内存空间，是最快的可用 IPC 形式

  • 信号量(semaphore)

信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步

  • 套接字(socket)

让不在同一台计算机但通过网络连接计算机上的进程进行通信。

进程与线程的上下文切换

进程切换分两步
1.切换页目录以使用新的地址空间。
2.切换内核栈和硬件上下文。

线程的上下文切换基于 CPU 时间片的分配，切换的虚拟内存空间是一样的。
分配算法：轮询，短作业优先

死锁

一组进程，互相申请被其它进程所占有的资源，而自己不释放已获得资源的一种永久互相等待状态，若无外力作用，它们将无法推进下去。

死锁发生的必要条件

必要条件就是当系统发生死锁时候，下面的情况会一定存在：

  • 互斥：某个时间段内一个资源只能被一个进程所持有，其它进程想要获取只能等待
  • 请求与保持：一个进程因为请求其它资源而阻塞，而对已获得的资源保持不放
  • 不可剥夺：进程已获得的资源，在未完全使用完之前，不能被强行剥夺，只能自己释放

  • 循环等待：若干个进程之间形成头尾相接的环形等待资源的关系

    如何避免死锁

  • 资源预分配，进程运行前先获取全部所需资源，满足条件再运行（避免请求与保持）

  • 当进程占有独占资源又申请其它独占资源而无法满足时，释放已有资源（避免不可剥夺）
  • 资源有序分配，按照相同顺序访问资源（避免循环等待）

    银行家算法

    分配资源前，先判断系统是否安全，安全再进行资源分配
    如下图所示，5 个进程 P0~P5 所需资源 MAX 以及已分配资源 Allocation
    系统根据资源可分配情况 Available，判定各个进程所需资源 Need，得到一个资源分配的安全序列：P0、P3、P4、P0、P2
    操作系统 - 图1