深入理解操作系统中进程与线程的区别及切换机制(上)

简介: 进程是正在运行的程序的实例,它可以包含一个或多个线程。我们了解了进程的执行方式,包括早期单核处理器上的顺序执行以及引入多任务概念实现的伪并行。我们还探讨了进程的状态模型。进程可以处于就绪、运行、阻塞和结束等不同的状态。就绪状态表示进程已经准备好运行,但还没有被调度执行。运行状态表示进程正在执行。阻塞状态表示进程被阻塞,需要等待某些事件的发生才能继续执行。结束状态表示进程已经完成执行。

进程

所谓进程,大家可以理解为我们打开的应用程序,如微信、QQ、游戏等,但也有系统应用是我们看不见的,可以打开任务管理器一探究竟,我们写的代码程序在服务器上在不运行的情况下,它就是一个二进制文件,并不是进程!

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一个进程可以包含一个或者多个线程,但对于CPU来说他就是一个任务而已;

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在早期,我们的CPU只有一个,而有多个任务需要执行时,它们只能排队等待,无论前面的任务执行时间有多长,后面的任务都得耐心等待。这种方式显然存在明显的弊端。举个例子,假设排在前面的A任务需要执行1小时,而排在后面的B任务仅需1分钟,那么B任务必须等待A任务完成后才能执行,这种方式显得极其不灵活。

进一步发展后,我们拥有了多任务的系统。在CPU在同一时间只能处理一个任务的前提下,系统将时间划分为多个时间片,每个任务只能占用一个时间片来执行自己的任务。一旦时间片用完,就必须轮到下一个任务执行,这种方式看起来就像是多个进程或任务同时在运行,这就是我们所说的并发,也称为伪并行。

有伪并行,那么就有真并行,随着现代化发展,我们的CPU开始拥有多核处理器,如4核、8核等。这样每个核心就像一个独立的CPU一样,可以并行处理多个任务。,8核对应的就是8个任务并行处理;

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然而,我们当前的服务器系统都是高并发状态,不仅要运行自己的业务,还要占用一定的CPU资源来运行系统进程。因此,以下一系列问题就出现了:

  1. 一个任务占用多长时间的时间片?
  2. CPU如何进行任务切换?当一个任务正在执行时被切换,资源如何处理?
  3. CPU如何找到下一个要执行的任务的位置?

进程的状态

五状态模型

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当我们的程序启动后就会变成这种状态,关联如下:

就绪->运行:当任务获得时间片后,使用CPU执行操作,进入运行状态。

运行->阻塞:进程调用系统服务时,无法立即获取返回值(如IO操作),进入阻塞状态。

运行->就绪:如果占用的时间片已经结束了,但任务未完成,回到就绪状态。

阻塞->就绪:阻塞结束后,进程回到就绪状态。

运行->结束:进程自行完成任务后,那么会被系统终止;

以上便是对于单个进程的5状态描述,从上面可以看出由于系统通常同时运行多个进程,因此就绪和阻塞状态的进程可能会有多个,那么这么多进行都在就绪态和阻塞态怎么办?一般来说就是使用队列,这不跟你写java是一样的解决方案吗?排队就行了

七状态模型

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队列是可以解决排队了问题了,但是这么长的队列放到哪里呢?我们的内存是很宝贵的,所以这里面就有上一节说的内存交换的问题了,可以使用内存交换机制将部分进程交换到磁盘中,这时候就是一个挂起的状态;

挂起的状态分两种:

  1. 就绪状态的挂起:一旦进程重新加载到内存中,就会立即运行。
  2. 阻塞状态的挂起:等待特定事件发生后才会运行。

这时候你就知道为什么你可以运行很多个程序,但是有时候你打开的太多了,你正打开某一个软件的同时,另一个软件自己退了,你就可以看下你的内存是不是满了,这是因为已经被交换到磁盘中的进程不容易重新加载回内存。一旦内存已满,重新加载进程就变得困难。

总结

进程是指正在运行的程序,可以包含一个或多个线程。在早期,CPU只有一个核心,多个任务需要排队等待执行。后来,引入了多任务的概念,将时间划分为多个时间片,每个任务占用一个时间片执行,实现了伪并行。现代CPU拥有多核处理器,可以并行处理多个任务。高并发的服务器系统中,除了运行业务,还要占用一定的CPU资源运行系统进程。进程的状态通过队列进行管理。同时还讨论了内存交换和进程挂起的问题。

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