1 进程

我们编写的代码只是一个存储在硬盘的静态文件，通过编译后就会生成二进制可执行文件，当我们运行这个可执行文件后，它会被装载到内存中，接着 CPU 会执行程序中的每一条指令，那么这个运行中的程序，就被称为「进程」（Process）。

进程有两个基本属性：

1. 进程是一个可拥有资源的独立单位，一个进程要能独立运行，它必须拥有一定的资源，包括用于存放程序正文、数据的磁盘和内存空间，以及它在运行时所需要的I/O设备、已打开的文件、信号量等。
2. 进程同时又是一个可独立调度和分配的基本单位，一个进程要能独立运行，它还必须是一个可独立调度和分配的基本单位。每个进程在系统中都有唯一的PCB，系统可根据其PCB感知进程的存在，也可以根据其PCB中的信息，对进程进行调度，还可将断点信息保存在其PCB中。反之，再利用进程PCB中的信息来恢复进程运行的现场。

现在我们考虑有一个会读取硬盘文件数据的程序被执行了，那么当运行到读取文件的指令时，就会去从硬盘读取数据，但是硬盘的读写速度是非常慢的，那么在这个时候，如果 CPU 傻傻的等硬盘返回数据的话，那 CPU 的利用率是非常低的。

所以，当进程要从硬盘读取数据时，CPU 不需要阻塞等待数据的返回，而是去执行另外的进程。当硬盘数据返回时，CPU 会收到个中断，于是 CPU 再继续运行这个进程。

这种多个程序、交替执行的思想，就有 CPU 管理多个进程的初步想法。

对于一个支持多进程的系统，CPU 会从一个进程快速切换至另一个进程，其间每个进程各运行几十或几百个毫秒。

虽然单核的 CPU 在某一个瞬间，只能运行一个进程。但在 1 秒钟期间，它可能会运行多个进程，这样就产生并行的错觉，实际上这是并发。

并发和并行有什么区别？

如下图所示

1.1 进程的状态

进程有着「运行 - 暂停 - 运行」的活动规律。一般说来，一个进程并不是自始至终连续不停地运行的，它与并发执行中的其他进程的执行是相互制约的。

它有时处于运行状态，有时又由于某种原因而暂停运行处于等待状态，当使它暂停的原因消失后，它又进入准备运行状态。

所以，在一个进程的活动期间至少具备三种基本状态，即运行状态、就绪状态、阻塞状态。

上图中各个状态的意义：

• 运行状态（Running）：该时刻进程占用 CPU；
• 就绪状态（Ready）：可运行，由于其他进程处于运行状态而暂时停止运行；
• 阻塞状态（Blocked）：该进程正在等待某一事件发生（如等待输入/输出操作的完成）而暂时停止运行，这时，即使给它CPU控制权，它也无法运行；

当然，进程还有另外两个基本状态：

• 创建状态（new）：进程正在被创建时的状态；
• 结束状态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态；

于是，一个完整的进程状态的变迁如下图：

再来详细说明一下进程的状态变迁：

• NULL -> 创建状态：一个新进程被创建时的第一个状态；
• 创建状态 -> 就绪状态：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，这个过程是很快的；
• 就绪态 -> 运行状态：处于就绪状态的进程被操作系统的进程调度器选中后，就分配给 CPU 正式运行该进程；
• 运行状态 -> 结束状态：当进程已经运行完成或出错时，会被操作系统作结束状态处理；
• 运行状态 -> 就绪状态：处于运行状态的进程在运行过程中，由于分配给它的运行时间片用完，操作系统会把该进程变为就绪态，接着从就绪态选中另外一个进程运行；
• 运行状态 -> 阻塞状态：当进程请求某个事件且必须等待时，例如请求 I/O 事件；
• 阻塞状态 -> 就绪状态：当进程要等待的事件完成时，它从阻塞状态变到就绪状态；

如果有大量处于阻塞状态的进程，进程可能会占用着物理内存空间，显然不是我们所希望的，毕竟物理内存空间是有限的，被阻塞状态的进程占用着物理内存就一种浪费物理内存的行为。

所以，在虚拟内存管理的操作系统中，通常会把阻塞状态的进程的物理内存空间换出到硬盘，等需要再次运行的时候，再从硬盘换入到物理内存。

那么，就需要一个新的状态，来描述进程没有占用实际的物理内存空间的情况，这个状态就是挂起状态。这跟阻塞状态是不一样，阻塞状态是等待某个事件的返回。

另外，挂起状态可以分为两种：

• 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；

这两种挂起状态加上前面的五种状态，就变成了七种状态变迁（留给我的颜色不多了），见如下图：

导致进程挂起的原因不只是因为进程所使用的内存空间不在物理内存，还包括如下情况：

• 通过 sleep 让进程间歇性挂起，其工作原理是设置一个定时器，到期后唤醒进程。
• 用户希望挂起一个程序的执行，比如在 Linux 中用 Ctrl+Z 挂起进程；

1.2 进程的控制结构

在操作系统中，是用进程控制块（process control block，PCB）数据结构来描述进程的，它是进程存在的唯一标识。

PCB 具体包含什么信息呢？

进程描述信息：

• 进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符；
• 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；

进程控制和管理信息：

• 进程当前状态，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；
• 进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；

资源分配清单：

• 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息，所打开文件的列表和所使用的 I/O 设备信息。

CPU 相关信息：

• CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时，CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB 中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。

可见，PCB 包含信息还是比较多的。

每个 PCB 是如何组织的呢？

通常是通过链表的方式进行组织，把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列。比如：

• 将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；
• 把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；
• 另外，对于运行队列在单核 CPU 系统中则只有一个运行指针了，因为单核 CPU 在某个时间，只能运行一个程序。

那么，就绪队列和阻塞队列链表的组织形式如下图：

除了链接的组织方式，还有索引方式，它的工作原理：将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表项指向相应的 PCB，不同状态对应不同的索引表。

一般会选择链表，因为可能面临进程创建，销毁等调度导致进程状态发生变化，所以链表能够更加灵活的插入和删除。

1.4 进程的上下文切换

各个进程之间是共享 CPU 资源的，在不同的时候进程之间需要切换，让不同的进程可以在 CPU 执行，那么这个一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。

在详细说进程上下文切换前，我们先来看看 CPU 上下文切换

大多数操作系统都是多任务，通常支持大于 CPU 数量的任务同时运行。实际上，这些任务并不是同时运行的，只是因为系统在很短的时间内，让各个任务分别在 CPU 运行，于是就造成同时运行的错觉。

任务是交给 CPU 运行的，那么在每个任务运行前，CPU 需要知道任务从哪里加载，又从哪里开始运行。

所以，操作系统需要事先帮 CPU 设置好 CPU 寄存器和程序计数器。在运行任何任务前，这都是必须依赖的环境，也就是CPU 上下文。

既然知道了什么是 CPU 上下文，那理解 CPU 上下文切换就不难了。

CPU 上下文切换就是先把前一个任务的 CPU 上下文（CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。

系统内核会存储保持下来的上下文信息，当此任务再次被分配给 CPU 运行时，CPU 会重新加载这些上下文，这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

上面说到所谓的「任务」，主要包含进程、线程和中断。所以，可以根据任务的不同，把 CPU 上下文切换分成：进程上下文切换、线程上下文切换和中断上下文切换。

进程的上下文切换到底是切换什么呢？

进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。

所以，进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。

通常，会把交换的信息保存在进程的 PCB，当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行，如下图所示：

大家需要注意，进程的上下文开销是很关键的，我们希望它的开销越小越好，这样可以使得进程可以把更多时间花费在执行程序上，而不是耗费在上下文切换。

发生进程上下文切换有哪些场景？

• 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，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
• 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；

以上，就是发生进程上下文切换的常见场景了。

2 线程

如果说，在OS中引入进程的目的是为了多个程序能并发执行，以提高资源利用率和时空开销，那么，在操作系统中引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性。

2.1 为什么使用线程

如何能使多个程序能更好地并发执行，同时又尽量减少系统的开销，这是操作系统要追求的重要目标。有不少研究操作系统的学者们想到，要设法将进程的上述两个属性分开，由OS分开处理，亦即不把作为调度和分派的基本单位也同时作为拥有资源的单位，以做到“轻装上阵”；而对于拥有资源的基本单位，又不对之施一频繁的切换，正是在这种思想的指导下，形成了线程的概念。

我们举个例子，假设你要编写一个视频播放器软件，那么该软件功能的核心模块有三个：

• 从视频文件当中读取数据；
• 对读取的数据进行解压缩；
• 把解压缩后的视频数据播放出来；

多进程的实现方式如下：

此时存在的问题是：

• 进程之间如何通信，共享数据？
• 维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立 PCB；终止进程时，回收资源、撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；

那到底如何解决呢？需要有一种新的实体，满足以下特性：

• 实体之间可以并发运行；
• 实体之间共享相同的地址空间；

这个新的实体，就是线程( Thread )，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。

2.2 什么是线程？

线程是进程当中的一条执行流程。

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程的优缺点？

线程的优点：

• 一个进程中可以同时存在多个线程；
• 各个线程之间可以并发执行；
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；

线程的缺点：

• 当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（这里是针对 C/C++ 语言，Java语言中的线程奔溃不会造成进程崩溃，具体分析原因可以看这篇：线程崩溃了，进程也会崩溃吗？ (opens new window)）。

举个例子，对于游戏的用户设计，则不应该使用多线程的方式，否则一个用户挂了，会影响其他同个进程的线程。

2.3 进程和线程的比较

调度的基本单位

在传统的OS中，进程是作为独立调度和分派的基本单位，因而进程是能独立运行的基本单位，在每次被调度时，都需要进行上下文切换，开销较大。因而在引入线程的OS中，已把线程作为调度和分派的基本单位。因而线程是能独立运行的基本单位。当线程切换时，仅需保存和设置少量的寄存器内容，切换代价远低于进程，在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时会引起进程的切换。

并发性

在引入线程的OS中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行。这使得OS具有更好的并发行性，从而能更加有效率地提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。

拥有资源

进程是系统中拥有资源的一个基本单位。然而，线程本身并不拥有系统资源，而是仅有一点不可少的、能保证独立运行的资源。比如，在每个线程中都应具有一个控制线程运行的线程控制块TCB，用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。

线程除了拥有自己的少量资源外，还允许多个线程共享进程所拥有的资源，这首先表现在：属于同一进程的所有线程都具有相同的地址空间。这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的资源，如已打开的文件、定时、信号量机构等的内存空间和它所申请到的I/O设备等。

多处理机系统

在多处理机系统中，对于传统的进程，即单线程进程，不管有多少处理机，该进程只能运行在一个处理机上。但对于多线程进程，就可以将一个进程中的多个线程分配到多个处理机上，使它们并行执行，这可以加速进程的完成。

系统开销

在创建或撤销进程时，系统都要为之分配和回收进程控制块、分配或回收其他资源，如内存空间和I/O设备等。OS为此付出的开销，明显大于线程创建或撤销时所付出的开销。类似地，在进程切换时，涉及到进程上下文的切换，而线程的切换代价也远低于进程的。此外，由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间，线程之间的同步和通信也比进程的简单。因此，在一些OS中，线程的切换、同步和通信都无需操作系统内核的干预。

状态切换

线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系：

• 新建状态：使用new关键字和Thread类或其子类建立一个线程对象后，该线程对象就处于新建状态。它保持这个状态直到程序start()这个线程。
• 就绪状态：当线程对象调用了start()方法后，该线程就进入了就绪状态。就绪状态的线程处于就绪队列中，要等待JVM里线程调度器的调度。
• 运行状态：如果就绪状态的线程获取CPU资源，就可以执行run()，此时线程便处于运行状态，处于运行状态的线程最为复杂，它可以变为阻塞状态、就绪状态和死亡状态。
• 阻塞状态：如果一个线程执行了sleep（睡眠）、suspend（挂起）等方法，失去所占用资源之后，该线程就会从运行状态进入阻塞状态。在睡眠时间已到或获得设备资源后可以重新进入就绪状态。可以分为以下三种：
  等待阻塞：运行状态中的线程执行wait()方法，使线程进入到等待阻塞状态
  同步阻塞：线程在获取synchronized同步锁失败（因为同步锁被其他线程占用）
  其他阻塞：通过调用线程的sleep()或join()发出了I/O请求时，线程就会进入到阻塞状态。当sleep()状态超时，join()等待线程终止或超时，或者I/O处理完毕，线程重新转入就绪状态。
• 死亡状态：一个运行状态的线程完成任务或者其他终止条件发生时，该线程就切换到死亡状态。