操作系统这些非常重要啊（三）

进程

在系统中正在运行的一个应用程序；程序一旦运行就是进程；是资源分配的最小单位。

在操作系统中能同时运行多个进程；

开机的时候，磁盘的内核镜像被导入内存作为一个执行副本，成为内核进程。

进程可以分成用户态进程和内核态进程两类，用户态进程通常是应用程序的副本，内核态进程就是内核本身的进程。

如果用户态进程需要申请资源，比如内存，可以通过系统调用向内核申请。

每个进程都有独立的内存空间，存放代码和数据段等，程序之间的切换会有较大的开销；

分时和调度

每个进程在执行时都会获得操作系统分配的一个时间片段，如果超出这个时间，就会轮到下一个进程（线程）执行。

注意，现代操作系统都是直接调度线程，不会调度进程。

分配时间片段

如下图所示，进程 1 需要 2 个时间片段，进程 2 只有 1 个时间片段，进程 3 需要 3 个时间片段。

因此当进程 1 执行到一半时，会先挂起，然后进程 2 开始执行；进程 2 一次可以执行完，然后进程 3 开始执行，不过进程 3 一次执行不完，在执行了 1 个时间片段后，进程 1 开始执行；就这样如此周而复始，这个就是分时技术。

创建进程

用户想要创建一个进程，最直接的方法就是从命令行执行一个程序，或者双击打开一个应用，但对于程序员而言，显然需要更好的设计。

首先，应该有 API 打开应用，比如可以通过函数打开某个应用；

另一方面，如果程序员希望执行完一段代价昂贵的初始化过程后，将当前程序的状态复制好几份，变成一个个单独执行的进程，那么操作系统提供了 fork 指令。

也就是说，每次 fork 会多创造一个克隆的进程，这个克隆的进程，所有状态都和原来的进程一样，但是会有自己的地址空间。

如果要创造 2 个克隆进程，就要 fork 两次。

那如果我就是想启动一个新的程序呢？

操作系统提供了启动新程序的 API。

如果我就是想用一个新进程执行一小段程序，比如说每次服务端收到客户端的请求时，我都想用一个进程去处理这个请求。

如果是这种情况，建议你不要单独启动进程，而是使用线程。

因为进程的创建成本实在太高了，因此不建议用来做这样的事情：要创建条目、要分配内存，特别是还要在内存中形成一个个段，分成不同的区域。所以通常，我们更倾向于多创建线程。

不同程序语言会自己提供创建线程的 API，比如 Java 有 Thread 类；go 有 go-routine（注意不是协程，是线程）。

进程状态

创建状态

进程由创建而产生，创建进程是一个非常复杂的过程，一般需要通过多个步骤才能完成：如首先由进程申请一个空白的进程控制块(PCB)，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息；然后为该进程分配运行时所必须的资源；最后，把该进程转入就绪状态并插入到就绪队列中

就绪状态

这是指进程已经准备好运行的状态，即进程已分配到除CPU以外所有的必要资源后，只要再获得CPU，便可立即执行，如果系统中有许多处于就绪状态的进程，通常将它们按照一定的策略排成一个队列，该队列称为就绪队列，有执行资格，没有执行权的进程

运行状态

这里指进程已经获取CPU，其进程处于正在执行的状态。对任何一个时刻而言，在单处理机的系统中，只有一个进程处于执行状态而在多处理机系统中，有多个进程处于执行状态，既有执行资格，又有执行权的进程

阻塞状态

这里是指正在执行的进程由于发生某事件（如I/O请求、申请缓冲区失败等）暂时无法继续执行的状态，即进程执行受到阻塞，此时引起进程调度，操作系统把处理机分配给另外一个就绪的进程，而让受阻的进程处于暂停的状态，一般将这个暂停状态称为阻塞状态

终止状态

进程间通信IPC

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信

管道/匿名管道

管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。

• 只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
  
• 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。
  
• 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出，写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。
  

有名管道(FIFO)

匿名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。

为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

有名管道不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以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

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

使得多个进程可以直接读写同一块内存空间，是最快的可用IPC形式，是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。

为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间，进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高效率。

由于多个进程共享一段内存，因此需要依靠某种同步机制（如信号量）来达到进程间的同步及互斥。

共享内存示意图

一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据。

信号量

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。

为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：

1. 创建一个信号量：这要求调用者指定初始值，对于二值信号量来说，它通常是1，也可是0。
   
2. 等待一个信号量：该操作会测试这个信号量的值，如果小于0，就阻塞，也称为P操作。
   
3. 挂出一个信号量：该操作将信号量的值加1，也称为V操作。
   

套接字(Socket)

套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器（即要进行通信的进程）系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。也就是说它可以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。

信号

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知，通知接收信号的进程有哪些事情发生了。

也可以简单理解为信号是某种形式上的软中断

可运行kill -l查看Linux支持的信号列表：

kill -l
 1) SIGHUP   2) SIGINT   3) SIGQUIT  4) SIGILL   5) SIGTRAP
 6) SIGABRT  7) SIGBUS   8) SIGFPE   9) SIGKILL 10) SIGUSR1
11) SIGSEGV 12) SIGUSR2 13) SIGPIPE 14) SIGALRM 15) SIGTERM
16) SIGSTKFLT 17) SIGCHLD 18) SIGCONT 19) SIGSTOP 20) SIGTSTP
21) SIGTTIN 22) SIGTTOU 23) SIGURG  24) SIGXCPU 25) SIGXFSZ
26) SIGVTALRM 27) SIGPROF 28) SIGWINCH  29) SIGIO 30) SIGPWR
31) SIGSYS  34) SIGRTMIN  35) SIGRTMIN+1  36) SIGRTMIN+2  37) SIGRTMIN+3
38) SIGRTMIN+4  39) SIGRTMIN+5  40) SIGRTMIN+6  41) SIGRTMIN+7  42) SIGRTMIN+8
43) SIGRTMIN+9  44) SIGRTMIN+10 45) SIGRTMIN+11 46) SIGRTMIN+12 47) SIGRTMIN+13
48) SIGRTMIN+14 49) SIGRTMIN+15 50) SIGRTMAX-14 51) SIGRTMAX-13 52) SIGRTMAX-12
53) SIGRTMAX-11 54) SIGRTMAX-10 55) SIGRTMAX-9  56) SIGRTMAX-8  57) SIGRTMAX-7
58) SIGRTMAX-6  59) SIGRTMAX-5  60) SIGRTMAX-4  61) SIGRTMAX-3  62) SIGRTMAX-2
63) SIGRTMAX-1  64) SIGRTMAX

几个常用的信号：

进程同步

临界区

通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问

优点：保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法

缺点：虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程

互斥量

为协调共同对一个共享资源的单独访问而设计的

互斥量跟临界区很相似，比临界区复杂，互斥对象只有一个，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限

优点：使用互斥不仅仅能够在同一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享

信号量

为控制一个具有有限数量用户资源而设计，它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目，互斥量是信号量的一种特殊情况，当信号量的最大资源数=1就是互斥量了

信号量（Semaphore）是一个整型变量，可以对其执行 down 和 up 操作，也就是常见的 P 和 V 操作

• down : 如果信号量大于 0 ，执行 -1 操作；如果信号量等于 0，进程睡眠，等待信号量大于 0；
• up ：对信号量执行 +1 操作，唤醒睡眠的进程让其完成 down 操作。

down 和 up 操作需要被设计成原语，不可分割，通常的做法是在执行这些操作的时候屏蔽中断。

如果信号量的取值只能为 0 或者 1，那么就成为了 互斥量（Mutex） ，0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。

事件

用来通知线程有一些事件已发生，从而启动后继任务的开始

优点：事件对象通过通知操作的方式来保持线程的同步，并且可以实现不同进程中的线程同步操作

管程

管程有一个重要特性：在一个时刻只能有一个进程使用管程。

进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程，否则其它进程永远不能使用管程。

管程引入了 条件变量 以及相关的操作：wait() 和 signal() 来实现同步操作。

对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来给另一个进程持有。

signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。

使用信号量机制实现的生产者消费者问题需要客户端代码做很多控制，而管程把控制的代码独立出来，不仅不容易出错，也使得客户端代码调用更容易。

上下文切换

对于单核单线程CPU而言，在某一时刻只能执行一条CPU指令。

上下文切换(Context Switch)是一种将CPU资源从一个进程分配给另一个进程的机制。

从用户角度看，计算机能够并行运行多个进程，这恰恰是操作系统通过快速上下文切换造成的结果。

在切换的过程中，操作系统需要先存储当前进程的状态(包括内存空间的指针，当前执行完的指令等等)，再读入下一个进程的状态，然后执行此进程。