什么是进程

定义

进程就是应用程序的启动实例。比如我们运行一个游戏，打开一个软件，就是开启了一个进程。

进程拥有代码和打开的文件资源、数据资源、独立的内存空间。 进程是资源分配的最小单位。 理解资源分配 在单核CPU中，同一时刻只有一个程序在内存中被CPU调用运行

假设有A、B两个程序，A正在运行，此时需要读取大量输入数据(IO操作)，那么CPU只能干等，直到A数据读取完毕，再继续往下执行，A执行完，再去执行程序B，白白浪费CPU资源。

进程的结构

1.程序：描述进程要完成的功能及如何完成；

2.数据集：程序在执行过程中所需的资源； 3.进程控制块：记录进程的外部特征，描述执行变化过程，系统利用它来控制、管理进程，系统感知进程存在的唯一标志。

进程三态模型

  • 运行态（Runing）：时刻进程占用 C P U
  • 就绪态（Ready）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂停停止
  • 阻塞状态（Blocked）：该进程等待某个事件（比如IO读取）停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行

image.png

  1. C P U 调度就绪态进程执行，进入运行状态，时间片使用完了，回到就绪态，等待 C P U 调度
  2. C P U 调度就绪态进程执行，进入运行状态，执行IO请求，进入阻塞态，IO请求完成，CPU收到 中断 信号，进入就绪态，等待 C P U 调度

进程五态模型

在三态基础上，做一次细化，出现了另外两个基本状态，创建态和结束态。 image.png

  • 创建态（new）：进程正在被创建
  • 就绪态（Ready）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂停停止
  • 运行态（Runing）：时刻进程占用 C P U
  • 结束态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态
  • 阻塞状态（Blocked）：该进程等待某个事件（比如IO读取）停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行

状态的变迁

  • NULL => 创建态（new）：一个新进程被创建时的第一个状态
  • 创建态（new） => 就绪态（Ready）：当进程创建完成，进入就绪态
  • 就绪态（Ready）=> 运行态（Runing）：C P U 从就绪队列选择进程执行，进入运行态
  • 运行态（Runing）=> 结束态（Exit）：当进程已经运行完成或出错时，进入结束状
  • 运行态（Runing） => 就绪态（Ready）：分配给进程的时间片使用完，进入就绪态
  • 运行态（Runing） => 阻塞状态（Blocked）： 进程执行等待事件，进入阻塞态
  • 阻塞状态（Blocked） => 就绪态（Ready）：进程事件完成，C P U 收到 中断 信号 ，进入就绪态

进程七态模型

其实进程还有一种状态叫挂起态，挂起态代表该进程不会占用内存空间，它会被换出到硬盘空间保存，当需要使用它的时候，会被换入，加载到内存，挂起态可以分为下面两种

  • 阻塞挂起状态：进程在外存（硬盘）并等待某个事件的出现
  • 就绪挂起状态：进程在外存（硬盘），但只要进入内存，即刻立刻运行

image.png 从上图我们发现，创建态、就绪态、运行态，阻塞挂起态、阻塞态都可以转入挂起态，这时问题就产生了，什么情况会转入 挂起态 ，什么情况又会从 挂起态 转入到 非挂起态（就绪态与阻塞态)， 操作系统会根据当前资源状况和性能要求、进程的优先级来进行挂起与激活操作，没有固定的说法。

进程的上下文切换

C P U把一个进程切换到另一个进程运行的过程，称为进程上下文切换。

进程上下文切换流程

首先进程是由内核管理与调度的，所以 进程上下文切换 发生在内核态，进程上下文切换的内容包含用户空间资源（虚拟内存、栈、全局变量等）与内核空间资源（内核堆栈、寄存器等）。 在做上下文切换的时候，会把前一个 进程 的上下文保存到它的 P C B 中，然后加载当前 进程 的 P C B 上下文到 C P U 中，使得 进程 继续执行

进程上下文切换场景

  • 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行
  • 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
  • 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
  • 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行
  • 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。

什么是线程

线程从属于进程，是程序的实际执行者。一个进程至少包含一个主线程，也可以有更多的子线程。 线程拥有自己的栈空间。

线程的状态

什么是协程

协程的两种实现方式

这里我们想说的一点是所谓的有栈，无栈并不是说这个协程运行的时候有没有栈，而是说协程之间是否存在调用栈（callbackStack）

有栈协程

无栈协程

进程和线程的区别

进程和线程的主要区别是，操作系统的资源管理方式不同，进程有独立的地 址空间，当一个进程崩溃后，不会影响其他进程。而线程是一个进程中不同的执行路径，它 有自己的堆栈和局部变量，但是没有单独的地址空间。

  1. 关系
    1. 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。线程依赖于进程而存在。
  2. 资源占用
    1. 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享进程的内存。（资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源。同一进程中的多个线程共享代码段（代码和常量），数据段（全局变量和静态变量），扩展段（堆存储）。但是每个线程拥有自己的栈段，栈段又叫运行时段，用来存放所有局部变量和临时变量。）
  3. 调度控制
    1. 进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位；
  4. 系统开销
    1. 由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I／o设备等。因此，操作系统所付出的开销将显著地大于在创建或撤消线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及到整个当前进程CPU环境的保存以及新被调度运行的进程的CPU环境的设置。而线程切换只须保存和设置少量寄存器的内容，并不涉及存储器管理方面的操作。可见，进程切换的开销也远大于线程切换的开销。
  5. 通信
    1. 由于同一进程中的多个线程具有相同的地址空间，致使它们之间的同步和通信的实现，也变得比较容易。进程间通信IPC，线程间可以直接读写进程数据段（如全局变量）来进行通信——需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。

协程和线程的区别

  1. 调度方式
    1. 协程由编程者控制，协程之间可以有优先级；线程由系统控制，一般没有优先级
  2. 调度速度
    1. 协程几乎比线程快一个数量级。协程调用由编码者控制，可以减少无效的调度
  3. 资源占用
    1. 协程可以控制内存占用量，灵活性更好；线程由系统控制
  4. 创建数量
    1. 协程的使用更灵活（有优先级控制、资源使用可控），调度速度更快，相比于线程而言调度损耗更小，所以真实可创建且有效的协程数量可以比线程多很多，这是使用协程实现异步编程的重要基础。同样因为调度与资源的限制，有效协程的数量也是有上限的

调度策略

抢占 vs 协作

从调度机制上来讲，调度可以分为抢占式和协作式。