進(jìn)程和線程的區(qū)別

進(jìn)程和線程

進(jìn)程和線程的區(qū)別

線程具有許多傳統(tǒng)進(jìn)程所具有的特征，故又稱為輕型進(jìn)程(Light—Weight Process)或進(jìn)程元；而把傳統(tǒng)的進(jìn)程稱為重型進(jìn)程(Heavy—Weight Process)，它相當(dāng)于只有一個線程的任務(wù)。在引入了線程的操作系統(tǒng)中，通常一個進(jìn)程都有若干個線程，至少包含一個線程。

根本區(qū)別：進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源分配的基本單位，而線程是處理器任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位

資源開銷：每個進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間（程序上下文），程序之間的切換會有較大的開銷；線程可以看做輕量級的進(jìn)程，同一類線程共享代碼和數(shù)據(jù)空間，每個線程都有自己獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器（PC），線程之間切換的開銷小。

包含關(guān)系：如果一個進(jìn)程內(nèi)有多個線程，則執(zhí)行過程不是一條線的，而是多條線（線程）共同完成的；線程是進(jìn)程的一部分，所以線程也被稱為輕權(quán)進(jìn)程或者輕量級進(jìn)程。

內(nèi)存分配：同一進(jìn)程的線程共享本進(jìn)程的地址空間和資源，而進(jìn)程之間的地址空間和資源是相互獨(dú)立的

影響關(guān)系：一個進(jìn)程崩潰后，在保護(hù)模式下不會對其他進(jìn)程產(chǎn)生影響，但是一個線程崩潰整個進(jìn)程都死掉。所以多進(jìn)程要比多線程健壯。

執(zhí)行過程：每個獨(dú)立的進(jìn)程有程序運(yùn)行的入口、順序執(zhí)行序列和程序出口。但是線程不能獨(dú)立執(zhí)行，必須依存在應(yīng)用程序中，由應(yīng)用程序提供多個線程執(zhí)行控制，兩者均可并發(fā)執(zhí)行

進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

三種基本狀態(tài)：

運(yùn)行態(tài)：占用CPU，并在CPU上運(yùn)行

就緒態(tài)：已經(jīng)具備了運(yùn)行條件，但由于沒有空閑的CPU，而暫時不能運(yùn)行

阻塞態(tài)：因等待某一事件而暫時不能運(yùn)行

另外兩種狀態(tài)：

創(chuàng)建態(tài)：進(jìn)程正在被創(chuàng)建，操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配資源，初始化PCB

進(jìn)程正在從系統(tǒng)中撤銷，操作系統(tǒng)會回收進(jìn)程擁有的資源，撤銷PCB

進(jìn)程間的通信

對于同步和互斥的理解：

區(qū)別：

互斥：是指三部在不同進(jìn)程之間的若干程序片斷，當(dāng)某個進(jìn)程運(yùn)行其中一個程序片段時，其它進(jìn)程就不能運(yùn)行它們之中的任一程序片段，只能等到該進(jìn)程運(yùn)行完這個程序片段后才可以運(yùn)行。

同步：是指散步在不同進(jìn)程之間的若干程序片斷，它們的運(yùn)行必須嚴(yán)格按照規(guī)定的 某種先后次序來運(yùn)行，這種先后次序依賴于要完成的特定的任務(wù)。

聯(lián)系：

同步是一種更為復(fù)雜的互斥，而互斥是一種特殊的同步。也就是說互斥是兩個線程之間不可以同時運(yùn)行，他們會相互排斥，必須等待一個線程運(yùn)行完畢，另一個才能運(yùn)行，而同步也是不能同時運(yùn)行，但他是必須要安照某種次序來運(yùn)行相應(yīng)的線程（也是一種互斥）。

進(jìn)程間為什么需要通信

在操作系統(tǒng)中，協(xié)作的進(jìn)程可能共享一些彼此都能共同讀寫的一些有限資源。而這些資源是有限的，或者如一些共享內(nèi)存，進(jìn)程隨意讀寫可能會造成數(shù)據(jù)的順序，內(nèi)容等發(fā)生錯亂，進(jìn)程不能對其隨意的使用，讀寫等。從而會發(fā)生競爭。我們把對共享內(nèi)存進(jìn)行訪問的程序片稱為臨界資源或臨界區(qū)，對同一共享內(nèi)存，任何時候兩個進(jìn)程不能同時處于臨界區(qū).

進(jìn)程間通信的目的：

數(shù)據(jù)傳輸：一個進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個進(jìn)程。

通知事件：一個進(jìn)程需要向另一個或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時要通知父進(jìn)程）。

資源共享：多個進(jìn)程之間共享同樣的資源。為了做到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供互斥和同步機(jī)制。

進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個進(jìn)程的執(zhí)行（如 Debug 進(jìn)程），此時控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時知道它的狀態(tài)改變

進(jìn)程間通信的方式

1.管道通信：

管道只能采取半雙工通信，某一時間段內(nèi)只能實(shí)現(xiàn)單向的傳輸。如果要實(shí)現(xiàn)雙向同時通信，則需要設(shè)置兩個管道

各個進(jìn)程要互斥的訪問管道

數(shù)據(jù)以字節(jié)流的形式寫入管道，當(dāng)管道寫滿時，寫進(jìn)程的write()系統(tǒng)調(diào)用將會被阻塞，等待讀進(jìn)程將數(shù)據(jù)取走。當(dāng)讀進(jìn)程將數(shù)據(jù)全部取走后，管道變空，此時讀進(jìn)程的read()系統(tǒng)調(diào)用將會被阻塞

注意：匿名管道只能用于有親緣關(guān)系間的進(jìn)程，而有名管道允許無親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信

2.消息隊(duì)列MessageQueue：

消息隊(duì)列是由消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識符標(biāo)識。消息隊(duì)列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)。

3.信號

信號是進(jìn)程之間唯一的異步通信機(jī)制，信號的主要來源主要有硬件來源（入鍵盤操作ctrl + C） 和軟件來源（如kill命令），信號傳遞的信息比較少，主要用于通知進(jìn)程某個時間已經(jīng)發(fā)生。比如利用kill pid，可以讓系統(tǒng)優(yōu)雅停機(jī)。

4.信號量

信號量是一個計(jì)數(shù)器，可以用來控制多個進(jìn)程對資源的訪問，通常作為一種鎖機(jī)制，防止某個進(jìn)程正在訪問共享資源，其他進(jìn)程也訪問資源

5.共享內(nèi)存

共享內(nèi)存就是映射一段能被進(jìn)程之間共享的內(nèi)存，這段內(nèi)存由一個進(jìn)程創(chuàng)建，但是多個進(jìn)程都可以共享訪問，是最快的一種進(jìn)程間通信的方式（不需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換），它是針對其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制，如信號量，配合使用，來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信。

6.Socket

socket套接字，不僅僅可以用于本地進(jìn)程通信，還可以用于不通主機(jī)進(jìn)程之間的通信。

進(jìn)程的調(diào)度和處理機(jī)調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度(低級調(diào)度)，就是按照某種算法，從就緒隊(duì)列中選擇一個進(jìn)程為其分配處理機(jī)

進(jìn)程調(diào)度的時機(jī)

進(jìn)程主動放棄處理機(jī)：進(jìn)程正常終止，發(fā)生異常終止，進(jìn)程主動請求阻塞(如等待I/O)等

進(jìn)程被動放棄處理機(jī)：分配的時間片用完，IO中斷，有更高的優(yōu)先級進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列等

調(diào)度算法

設(shè)置多級就緒隊(duì)列，各級的隊(duì)列優(yōu)先級從高到低，時間片從小到大

新進(jìn)程到達(dá)時先進(jìn)入第一級隊(duì)列，按照先來先服務(wù)排隊(duì)等待被分配時間片，若用完時間片進(jìn)程還未結(jié)束，則進(jìn)程進(jìn)入下一級隊(duì)列的隊(duì)尾，如果此時已經(jīng)在最下級隊(duì)列，則從新放回最后一級隊(duì)列的隊(duì)尾

只有當(dāng)?shù)贙級的隊(duì)列為空時，才會為K+1級的隊(duì)列隊(duì)頭的進(jìn)程分配時間片

先來先服務(wù)

最短作業(yè)優(yōu)先

最高響應(yīng)比優(yōu)先 響應(yīng)比：(等待時間+服務(wù)時間)/要求服務(wù)的時間

時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度

優(yōu)先級調(diào)度

多級反饋隊(duì)列

內(nèi)存管理

內(nèi)存管理的功能

內(nèi)存空間的分配與回收：由操作系統(tǒng)完成主存儲器空間的分配和管理，使程序員擺脫存儲分配的麻煩，提高編程效率。

地址轉(zhuǎn)換：在多道程序環(huán)境下， 程序中的邏輯地址與內(nèi)存中的物理地址不可能一致， 因此存儲管理必須提供地址變換功能，把邏輯地址轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址。

內(nèi)存空間的擴(kuò)充：利用虛擬存儲技術(shù)或自動覆蓋技術(shù)，從邏輯上擴(kuò)充內(nèi)存 。

存儲保護(hù)：保證各道作業(yè)在各自的存儲空間內(nèi)運(yùn)行，互不干擾。

內(nèi)存分配方式

連續(xù)分配管理方式

連續(xù)分配方式，是指為一個用戶程序分配一個連續(xù)的內(nèi)存空間，比如說某用戶需要1GB的內(nèi)存空間，它就在內(nèi)存空間中分配一塊連續(xù)的 1GB的空間給用戶。

單一連續(xù)分配：內(nèi)存在此方式下分為系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)，系統(tǒng)區(qū)僅提供給操作系統(tǒng)使用，通常在低地址部分；用戶區(qū)是為用戶提供的、除系統(tǒng)區(qū)之外的內(nèi)存空間。這種方式無需進(jìn)行內(nèi)存保護(hù)。

固定分區(qū)分配：固定分區(qū)分配是最簡單的一種多道程序存儲管理方式，它將用戶內(nèi)存空間劃分為若干個固定大小的區(qū)域，每個分區(qū)只裝入一道作業(yè)。當(dāng)有空閑分區(qū)時，便可以再從外存的后備作業(yè)隊(duì)列中， 選擇適當(dāng)大小的作業(yè)裝入該分區(qū)，如此循環(huán)。

動態(tài)分區(qū)分配：動態(tài)分區(qū)分配又稱為可變分區(qū)分配，是一種動態(tài)劃分內(nèi)存的分區(qū)方法。這種分區(qū)方法不預(yù)先將內(nèi)存劃分，而是在進(jìn)程裝入內(nèi)存時，根據(jù)進(jìn)程的大小動態(tài)地建立分區(qū) ，并使分區(qū)的大小正好適合進(jìn)程的需要。因此系統(tǒng)中分區(qū)的大小和數(shù)目是可變的。

分配策略算法

首次適應(yīng) (First Fit) 算法：空閑分區(qū)以地址遞增的次序鏈接。分配內(nèi)存時順序查找，找到大小能滿足要求的第一個空閑分區(qū)。

最佳適應(yīng) ( Best Fit )算法：空閑分區(qū)按容量遞增形成分區(qū)鏈，找到第一個能滿足要求的空閑分區(qū)。

最壞適應(yīng) ( Worst Fit )算法：又稱最大適應(yīng) （ Largest Fit )算法，空閑分區(qū)以容量遞減的次序鏈接。找到第一個能滿足要求的空閑分區(qū)，也就是挑選出最大的分區(qū)。

鄰近適應(yīng) ( Next Fit )算法：又稱循環(huán)首次適應(yīng)算法，由首次適應(yīng)算法演變而成。不同之處是分配內(nèi)存時從上次查找結(jié)束的位置開始繼續(xù)查找。

非連續(xù)分配管理方式

非連續(xù)分配允許一個程序分散地裝入到不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中

分頁存儲管理方式

將內(nèi)存空間分為一個個大小相等的分區(qū)(比如：每個分區(qū)4KB)，每個分區(qū)就是一個頁框(頁幀，內(nèi)存塊，物理塊)，每個頁框都有一個編號，即頁框號(頁幀號，內(nèi)存塊號，物理塊號)，頁框號從0開始

將用戶進(jìn)程的地址空間也分為與頁框大小相等的一個個區(qū)域，稱為 "頁"或 “頁面”，每個頁面也有一個編號，即頁號，頁號也是從0開始(注意：進(jìn)程最后一個頁面可能沒有頁框那么大，因此頁框不能太大，否則會產(chǎn)生過大的內(nèi)部碎片)

操作系統(tǒng)以頁框?yàn)閱挝粸楦鱾€進(jìn)程分配內(nèi)存空間。進(jìn)程的每個頁面分別放入一個頁框中，則進(jìn)程的頁面和內(nèi)存的頁框產(chǎn)生了一一對應(yīng)的關(guān)系

分段存儲管理方式

進(jìn)程的地址空間：按照程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個段，每個段都有一個段名(在低級語言中，程序員使用段名來編程)，每段從0開始編址

內(nèi)存分配規(guī)則：以段位單位進(jìn)行分配，每個段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間，但是各個段之間可以不相鄰

優(yōu)點(diǎn)：由于是按邏輯功能劃分，用戶編程更加方便，程序的可讀性更高

分頁和分段存儲管理的區(qū)別

頁是信息的物理單位，分頁是為實(shí)現(xiàn)離散分配方式，提高內(nèi)存利用率。分頁僅僅是由于系統(tǒng)管理的需要而并不是用戶的需要。而段則是信息的邏輯單位，是為了更好地滿足用戶的需要。

分段比分頁更容易實(shí)現(xiàn)信息的保護(hù)與共享，分段可以在某個段編寫邏輯，實(shí)現(xiàn)對另外一個段的保護(hù)，而分頁不行

頁的大小固定且由系統(tǒng)決定，而段的長度取決于用戶所編寫的程序。

頁面置換算法(追求最少的缺頁率)

最佳置換算法OPT(無法實(shí)現(xiàn)，作為一個標(biāo)準(zhǔn)):每次選擇淘汰的頁面將是以后永不使用，或者在最長的時間內(nèi)不被使用，由于無法預(yù)知將會訪問哪些頁面，所以這種算法無法實(shí)現(xiàn)，只能作為一個標(biāo)準(zhǔn)

例如：需要訪問7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1，則訪問順序：

先進(jìn)先出置換算法FIFO:每次選擇淘汰的頁面是最早進(jìn)入內(nèi)存的頁面

例如：需要訪問 3 2 1 0 3 2 4 3 2 1 0 4 ，則訪問順序

最近最久未使用置換算法(LRU)：每次淘汰的頁面是最近最久未使用的頁面

例如：需要訪問 1 8 1 7 8 2 7 2 1 8 3 8 2 1 3 1 7 1 3 7 則訪問順序

最近未用置換算法NRU(Clock算法):為每個頁面設(shè)置一個訪問位，再將內(nèi)存中的頁面都通過鏈接指針鏈接成一個循環(huán)隊(duì)列。當(dāng)某頁被訪問時，其訪問位置為1.當(dāng)需要淘汰某個頁面時，只需要檢查頁的訪問位。如果是0，就將該頁面換出，如果是1，則將他置為0，暫不換出。繼續(xù)檢查下一個頁面，如果第一輪掃描之后全是1，則掃描完成，這些都置為0.再進(jìn)行第二輪掃描，因此簡單的Clock算法選擇一個頁面淘汰最多兩輪

文件管理

文件的分配方式(物理結(jié)構(gòu))

文件塊和磁盤塊：類似于內(nèi)存的分頁

磁盤塊:磁盤中的存儲單元會被分為一個個"塊/磁盤塊/物理塊"，在很多的操作系統(tǒng)中，磁盤塊的大小與內(nèi)存塊，頁面的大小相同

文件塊：在外存管理中，為了方便對文件數(shù)據(jù)的管理，文件的邏輯地址空間被分為一個一個的文件塊，文件的邏輯地址可以表示為(邏輯塊號，塊內(nèi)地址)的形式。用戶通過邏輯地址來操作自己的文件，操作

文件的分配方式

連續(xù)分配：要求每個文件在磁盤上占有一組連續(xù)的塊

優(yōu)點(diǎn)：支持順序訪問和直接訪問(類似數(shù)組)，連續(xù)分配的文件在順序訪問時速度最快

缺點(diǎn)：不方便文件的擴(kuò)展，存儲空間利用率低,會產(chǎn)生磁盤碎片

鏈接分配：采取離散分配的方式，為文件分配離散的磁盤塊。(類似鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))

隱式鏈接：目錄中記錄的文件的起始塊號和結(jié)束塊號。除了文件最后一個磁盤塊之外，每個磁盤塊中都會保存指向下一個盤塊的指針，這些指針對用戶是透明的,每次訪問某個磁盤塊都需從頭訪問

優(yōu)點(diǎn)：方便文件的擴(kuò)展，不會產(chǎn)生碎片問題，外存的利用率高

缺點(diǎn)：只支持順序訪問，不支持隨機(jī)訪問，查找時效率低

*顯示鏈接：把用于鏈接文件各物理塊的指針顯示的存放在一張表中，即文件分配表。文件目錄只需要記錄起始塊號。一個磁盤只需要設(shè)置一張分配表，開機(jī)時，將分配表讀入內(nèi)存，并常駐內(nèi)存 *優(yōu)點(diǎn)：支持順序訪問，也支持隨機(jī)訪問，方便文件的擴(kuò)展，不會產(chǎn)生碎片問題，地址轉(zhuǎn)換不需要訪問磁盤，因此文件的訪問效率更高 *缺點(diǎn)：文件分配表需要占據(jù)一定的存儲空間

索引分配：索引分配允許文件離散的分配在各個磁盤塊中，系統(tǒng)會為每個文件建立一張索引表，索引表中記錄了文件的各個邏輯塊對應(yīng)的物理塊(索引表的功能類似于內(nèi)存管理的頁表–建立邏輯頁面到物理頁面之間的映射關(guān)系)。索引表存放的磁盤塊稱為索引塊，文件數(shù)據(jù)存放的磁盤塊稱為數(shù)據(jù)塊

文件存儲空間管理

存儲空間的劃分和初始化

存儲空間的劃分：將物理磁盤劃分為一個個文件卷(邏輯卷，邏輯盤，如Windows系統(tǒng)下的C，D，E盤等)

有的系統(tǒng)支持超大型文件，可由多個物理磁盤組成一個文件卷

存儲空間的初始化：將各個文件卷劃分為目錄區(qū)，文件區(qū)

目錄區(qū)：目錄區(qū)主要存放文件的目錄信息(FCB)，用于磁盤存儲空間的管理的信息

文件區(qū)：文件區(qū)用于存放文件數(shù)據(jù)

存儲空間的管理方法

空閑表法：與內(nèi)存管理中的動態(tài)分區(qū)分配很類似，為一個文件分配連續(xù)的存儲空間。同樣可以采用首次適應(yīng)，最佳適應(yīng)，最壞適應(yīng)等算法來決定要為文件分配哪個區(qū)間

空閑鏈表法：分為—>

空閑盤塊鏈：以盤塊為單位組成一條空閑鏈

空閑盤區(qū)鏈：以盤區(qū)為單位組成一條空閑鏈

位示圖法：每個二進(jìn)制位代表一個盤塊。例如可以用"0"來代表盤塊空閑 ，"1"代表盤塊已經(jīng)分配

成組鏈接法：UNIX采用的策略，適合大型的文件系統(tǒng)。

IO管理

磁盤調(diào)度算法

一次磁盤讀/寫操作需要的時間：尋找時間+延遲時間+傳輸時間

尋找時間：在讀/寫前，將磁頭移動到指定磁道所畫的時間(啟動磁頭臂和移動磁頭臂)

延遲時間：通過旋轉(zhuǎn)磁盤，使磁頭定位到目標(biāo)扇區(qū)所需要的時間

傳輸時間：從磁盤中讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間

磁盤調(diào)度算法：

先來先服務(wù)算法(FIFO)：根據(jù)進(jìn)程請求訪問磁盤的先后順序進(jìn)行調(diào)度

最短尋找時間優(yōu)先算法(SSTF)：優(yōu)先處理的磁道是與當(dāng)前磁道最近的磁道，可以保證每次的尋道時間最短，但是不能保證總的尋道時間最短(貪心算法)

掃描算法(SCAN，電梯調(diào)度算法)：SSTF算法可能會產(chǎn)生饑餓，磁頭有可能在一個小區(qū)域內(nèi)來回移動，因此掃描算法規(guī)定，只有磁頭移動到最外側(cè)磁道的時候才能往內(nèi)移動，移動到最內(nèi)側(cè)磁道才能往外移動，在這個基礎(chǔ)上使用SSTF算法

循環(huán)掃描算法(C-SCAN)：SCAN算法對于各個位置磁道的響應(yīng)頻率不平均，C-SCAN算法在SCAN算法的基礎(chǔ)上規(guī)定：只有磁頭朝著某個特定的方向移動時才能處理磁道的訪問請求，而返回時直接快速移動到起始端而不處理任何請求

死鎖

對死鎖的理解

如果一組進(jìn)程中的每個進(jìn)程都在等待一個事件，而這個事件是有這組中的某一個進(jìn)程觸發(fā)，這種情況則會導(dǎo)致死鎖

資源死鎖的條件：發(fā)生死鎖時，以下四個條件必須全部具備

互斥條件：進(jìn)程要求對所分配的資源進(jìn)行排它性控制，即在一段時間內(nèi)某資源僅為一進(jìn)程所占用。

保持和等待條件：當(dāng)進(jìn)程因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。

不可搶占條件：進(jìn)程已獲得的資源在未使用完之前，不能剝奪，只能在使用完時由自己釋放。

循環(huán)等待條件：在發(fā)生死鎖時，必然存在一個進(jìn)程–資源的環(huán)形鏈。

死鎖的避免->銀行家算法

當(dāng)一個進(jìn)程申請使用資源的時候，銀行家算法通過先 試探 分配給該進(jìn)程資源，然后通過安全性算法判斷分配后的系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)，若不安全則試探分配作廢，讓該進(jìn)程繼續(xù)等待。

安全序列的判斷：

死鎖的解除

資源剝奪法：掛起(暫時放到外存上)某些死鎖的進(jìn)程，并搶占他的資源，將這些資源分配給其他的死鎖進(jìn)程。但是應(yīng)防止被掛起的進(jìn)程長時間得不到資源而饑餓

撤銷進(jìn)程法：強(qiáng)制撤銷部分，甚至全部的死鎖進(jìn)程，并剝奪這些進(jìn)程的資源。雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但是代價可能較大

進(jìn)程回退法：讓一個或多個死鎖進(jìn)程回退到足以避免死鎖的地步

簡單來說，死鎖的破壞就是對死鎖產(chǎn)生的四個條件進(jìn)行破壞，讓其中任意一個不滿足即可。

審核編輯 ：李倩