操作系统：进程与线程大解析（三）

4. 消息队列

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。

消息队列特点总结：

（1）消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识.

（2）消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息.

（3）管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。

（4）消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。

（5）消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。

（6）目前主要有两种类型的消息队列：POSIX消息队列以及System V消息队列，系统V消息队列目前被大量使用。系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重起或者人工删除时，该消息队列才会被删除。

5. 共享内存

进程间本身的内存是相互隔离的，而共享内存机制相当于给两个进程开辟了一块二者均可访问的内存空间，这时，两个进程便可以共享一些数据了。但是，多进程同时占用资源会带来一些意料之外的情况，这时，我们往往会采用上述的信号量来控制多个进程对共享内存空间的访问。

6. 信号量

信号量主要用来解决进程和线程间并发执行时的同步问题，进程同步是并发进程为了完成共同任务采用某个条件来协调他们的活动，这是进程之间发生的一种直接制约关系。

对信号量的操作分为P操作和V操作，P操作是将信号量的值减一，V操作是将信号量的值加一。当信号量的值小于等于0之后，再进行P操作时，当前进程或线程会被阻塞，直到另一个进程或线程执行了V操作将信号量的值增加到大于0之时。锁也是用的这种原理实现的。(p:pass减1)信号量我们需要定义信号量的数量，设定初始值，以及决定何时进行PV操作。

7. socket

使用本地端口进行socket通信

线程间通信方式

1. 锁机制：包括互斥锁、条件变量、读写锁互斥锁。锁提供了以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。读写锁允许多个线程同时读共享数据，而对写操作是互斥的。条件变量可以以原子的方式阻塞进程，直到某个特定条件为真为止。对条件的测试是在互斥锁的保护下进行的。条件变量始终与互斥锁一起使用。
   
2. 信号量机制(Semaphore)：包括无名线程信号量和命名线程信号量
   
3. 信号机制(Signal)：类似进程间的信号处理线程间的通信目的主要是用于线程同步，所以线程没有像进程通信中的用于数据交换的通信机制。
   

五、进程/线程状态

进程的状态

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；

进程生命周期

进程的创建、终止、阻塞、唤醒的过程，这些过程也就是进程的控制。

创建进程

操作系统允许一个进程创建另一个进程，而且允许子进程继承父进程所拥有的资源。

创建进程的过程如下：

• 申请一个空白的 PCB，并向 PCB 中填写一些控制和管理进程的信息，比如进程的唯一标识等；
• 为该进程分配运行时所必需的资源，比如内存资源；
• 将 PCB 插入到就绪队列，等待被调度运行；

终止进程

进程可以有 3 种终止方式：正常结束、异常结束以及外界干预（信号 kill 掉）。

当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源应当还给父进程。而当父进程被终止时，该父进程的子进程就变为孤儿进程，会被 1 号进程收养，并由 1 号进程对它们完成状态收集工作。

终止进程的过程如下：

• 查找需要终止的进程的 PCB；
• 如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将 CPU 资源分配给其他进程；
• 如果其还有子进程，则应将该进程的子进程交给 1 号进程接管；
• 将该进程所拥有的全部资源都归还给操作系统；
• 将其从 PCB 所在队列中删除；

阻塞进程

当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待。而一旦被阻塞等待，它只能由另一个进程唤醒。

阻塞进程的过程如下：

• 找到将要被阻塞进程标识号对应的 PCB；
• 如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行；
• 将该 PCB 插入到阻塞队列中去；

唤醒进程

进程由「运行」转变为「阻塞」状态是由于进程必须等待某一事件的完成，所以处于阻塞状态的进程是绝对不可能叫醒自己的。

如果某进程正在等待 I/O 事件，需由别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它。

唤醒进程的过程如下：

• 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的 PCB；
• 将其从阻塞队列中移出，并置其状态为就绪状态；
• 把该 PCB 插入到就绪队列中，等待调度程序调度；

进程的阻塞和唤醒是一对功能相反的语句，如果某个进程调用了阻塞语句，则必有一个与之对应的唤醒语句。

线程的状态

在线程的生命周期中，它要经过新建（New）、就绪（Ready）、运行（Running）、阻塞（Blocked）和死亡（Dead）5种状态。尤其是当线程启动以后，它不可能一直“霸占”着CPU独自运行，所以CPU需要在多条线程之间切换，于是线程状态也会多次在运行、就绪之间切换。

线程5种状态的转换关系，如下图所示：

线程生命周期

当程序使用new关键字创建了一个线程之后，该线程就处于新建状态，此时它和其他的Java对象一样，仅仅由Java虚拟机为其分配内存，并初始化其成员变量的值。此时的线程对象没有表现出任何线程的动态特征，程序也不会执行线程的线程执行体。

当线程对象调用了start()方法之后，该线程处于就绪状态，Java虚拟机会为其创建方法调用栈和程序计数器，处于这个状态中的线程并没有开始运行，只是表示该线程可以运行了。至于该线程何时开始运行，取决于JVM里线程调度器的调度。

如果处于就绪状态的线程获得了CPU，开始执行run()方法的线程执行体，则该线程处于运行状态，如果计算机只有一个CPU，那么在任何时刻只有一个线程处于运行状态。当然，在一个多处理器的机器上，将会有多个线程并行执行；当线程数大于处理器数时，依然会存在多个线程在同一个CPU上轮换的现象。

当一个线程开始运行后，它不可能一直处于运行状态，线程在运行过程中需要被中断，目的是使其他线程获得执行的机会，线程调度的细节取决于底层平台所采用的策略。对于采用抢占式策略的系统而言，系统会给每个可执行的线程一个小时间段来处理任务。当该时间段用完后，系统就会剥夺该线程所占用的资源，让其他线程获得执行的机会。当发生如下情况时，线程将会进入阻塞状态：

• 线程调用sleep()方法主动放弃所占用的处理器资源。
  
• 线程调用了一个阻塞式IO方法，在该方法返回之前，该线程被阻塞。
  
• 线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有。
  
• 线程在等待某个通知（notify）。
  
• 程序调用了线程的suspend()方法将该线程挂起。但这个方法容易导致死锁，所以应该尽量避免使用该方法。
  

针对上面几种情况，当发生如下特定的情况时可以解除上面的阻塞，让该线程重新进入就绪状态：

• 调用sleep()方法的线程经过了指定时间。
• 线程调用的阻塞式IO方法已经返回。
• 线程成功地获得了试图取得的同步监视器。
• 线程正在等待某个通知时，其他线程发出了一个通知。
• 处于挂起状态的线程被调用了resume()恢复方法。

线程会以如下三种方式结束，结束后就处于死亡状态：

• run()或call()方法执行完成，线程正常结束。
  
• 线程抛出一个未捕获的Exception或Error。
  
• 直接调用该线程的stop()方法来结束该线程，该方法容易导致死锁，通常不推荐使用。
  

六、扩展：进程控制块（PCB）

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。

PCB 是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个 PCB，如果进程消失了，那么 PCB 也会随之消失。

PCB结构

不一 一列举了，PCB 结构包含信息还是比较多的：

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。

其他信息…

PCB组织过程

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。