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写给大忙人看的进程和线程(二)

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进程状态


尽管每个进程是一个独立的实体,有其自己的程序计数器和内部状态,但是,进程之间仍然需要相互帮助。例如,一个进程的结果可以作为另一个进程的输入,在 shell 命令中

cat chapter1 chapter2 chapter3 | grep tree

第一个进程是 cat,将三个文件级联并输出。第二个进程是 grep,它从输入中选择具有包含关键字 tree 的内容,根据这两个进程的相对速度(这取决于两个程序的相对复杂度和各自所分配到的 CPU 时间片),可能会发生下面这种情况,grep 准备就绪开始运行,但是输入进程还没有完成,于是必须阻塞 grep 进程,直到输入完毕。

当一个进程开始运行时,它可能会经历下面这几种状态

10.jpg

图中会涉及三种状态

  1. 运行态,运行态指的就是进程实际占用 CPU 时间片运行时
  2. 就绪态,就绪态指的是可运行,但因为其他进程正在运行而处于就绪状态
  3. 阻塞态,除非某种外部事件发生,否则进程不能运行

逻辑上来说,运行态和就绪态是很相似的。这两种情况下都表示进程可运行,但是第二种情况没有获得 CPU 时间分片。第三种状态与前两种状态不同的原因是这个进程不能运行,CPU 空闲时也不能运行。

三种状态会涉及四种状态间的切换,在操作系统发现进程不能继续执行时会发生状态1的轮转,在某些系统中进程执行系统调用,例如 pause,来获取一个阻塞的状态。在其他系统中包括 UNIX,当进程从管道或特殊文件(例如终端)中读取没有可用的输入时,该进程会被自动终止。

转换 2 和转换 3 都是由进程调度程序(操作系统的一部分)引起的,进程本身不知道调度程序的存在。转换 2 的出现说明进程调度器认定当前进程已经运行了足够长的时间,是时候让其他进程运行 CPU 时间片了。当所有其他进程都运行过后,这时候该是让第一个进程重新获得 CPU 时间片的时候了,就会发生转换 3。

程序调度指的是,决定哪个进程优先被运行和运行多久,这是很重要的一点。已经设计出许多算法来尝试平衡系统整体效率与各个流程之间的竞争需求。

当进程等待的一个外部事件发生时(如从外部输入一些数据后),则发生转换 4。如果此时没有其他进程在运行,则立刻触发转换 3,该进程便开始运行,否则该进程会处于就绪阶段,等待 CPU 空闲后再轮到它运行。

从上面的观点引入了下面的模型

11.png

操作系统最底层的就是调度程序,在它上面有许多进程。所有关于中断处理、启动进程和停止进程的具体细节都隐藏在调度程序中。事实上,调度程序只是一段非常小的程序。


进程的实现


操作系统为了执行进程间的切换,会维护着一张表格,这张表就是 进程表(process table)。每个进程占用一个进程表项。该表项包含了进程状态的重要信息,包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息,以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时所必须保存的信息,从而保证该进程随后能再次启动,就像从未被中断过一样。

下面展示了一个典型系统中的关键字段

12.jpg

第一列内容与进程管理有关,第二列内容与 存储管理有关,第三列内容与文件管理有关。

存储管理的 text segment 、 data segment、stack segment


现在我们应该对进程表有个大致的了解了,就可以在对单个 CPU 上如何运行多个顺序进程的错觉做更多的解释。与每一 I/O 类相关联的是一个称作 中断向量(interrupt vector) 的位置(靠近内存底部的固定区域)。它包含中断服务程序的入口地址。假设当一个磁盘中断发生时,用户进程 3 正在运行,则中断硬件将程序计数器、程序状态字、有时还有一个或多个寄存器压入堆栈,计算机随即跳转到中断向量所指示的地址。这就是硬件所做的事情。然后软件就随即接管一切剩余的工作。

当中断结束后,操作系统会调用一个 C 程序来处理中断剩下的工作。在完成剩下的工作后,会使某些进程就绪,接着调用调度程序,决定随后运行哪个进程。然后将控制权转移给一段汇编语言代码,为当前的进程装入寄存器值以及内存映射并启动该进程运行,下面显示了中断处理和调度的过程。

  1. 硬件压入堆栈程序计数器等
  2. 硬件从中断向量装入新的程序计数器
  3. 汇编语言过程保存寄存器的值
  4. 汇编语言过程设置新的堆栈
  5. C 中断服务器运行(典型的读和缓存写入)
  6. 调度器决定下面哪个程序先运行
  7. C 过程返回至汇编代码
  8. 汇编语言过程开始运行新的当前进程

一个进程在执行过程中可能被中断数千次,但关键每次中断后,被中断的进程都返回到与中断发生前完全相同的状态。


线程


在传统的操作系统中,每个进程都有一个地址空间和一个控制线程。事实上,这是大部分进程的定义。不过,在许多情况下,经常存在同一地址空间中运行多个控制线程的情形,这些线程就像是分离的进程。下面我们就着重探讨一下什么是线程


线程的使用


或许这个疑问也是你的疑问,为什么要在进程的基础上再创建一个线程的概念,准确的说,这其实是进程模型和线程模型的讨论,回答这个问题,可能需要分三步来回答

  • 多线程之间会共享同一块地址空间和所有可用数据的能力,这是进程所不具备的
  • 线程要比进程更轻量级,由于线程更轻,所以它比进程更容易创建,也更容易撤销。在许多系统中,创建一个线程要比创建一个进程快 10 - 100 倍。
  • 第三个原因可能是性能方面的探讨,如果多个线程都是 CPU 密集型的,那么并不能获得性能上的增强,但是如果存在着大量的计算和大量的 I/O 处理,拥有多个线程能在这些活动中彼此重叠进行,从而会加快应用程序的执行速度


多线程解决方案


现在考虑一个线程使用的例子:一个万维网服务器,对页面的请求发送给服务器,而所请求的页面发送回客户端。在多数 web 站点上,某些页面较其他页面相比有更多的访问。例如,索尼的主页比任何一个照相机详情介绍页面具有更多的访问,Web 服务器可以把获得大量访问的页面集合保存在内存中,避免到磁盘去调入这些页面,从而改善性能。这种页面的集合称为 高速缓存(cache),高速缓存也应用在许多场合中,比如说 CPU 缓存。

13.jpg

上面是一个 web 服务器的组织方式,一个叫做 调度线程(dispatcher thread) 的线程从网络中读入工作请求,在调度线程检查完请求后,它会选择一个空闲的(阻塞的)工作线程来处理请求,通常是将消息的指针写入到每个线程关联的特殊字中。然后调度线程会唤醒正在睡眠中的工作线程,把工作线程的状态从阻塞态变为就绪态。

当工作线程启动后,它会检查请求是否在 web 页面的高速缓存中存在,这个高速缓存是所有线程都可以访问的。如果高速缓存不存在这个 web 页面的话,它会调用一个 read 操作从磁盘中获取页面并且阻塞线程直到磁盘操作完成。当线程阻塞在硬盘操作的期间,为了完成更多的工作,调度线程可能挑选另一个线程运行,也可能把另一个当前就绪的工作线程投入运行。

这种模型允许将服务器编写为顺序线程的集合,在分派线程的程序中包含一个死循环,该循环用来获得工作请求并且把请求派给工作线程。每个工作线程的代码包含一个从调度线程接收的请求,并且检查 web 高速缓存中是否存在所需页面,如果有,直接把该页面返回给客户,接着工作线程阻塞,等待一个新请求的到达。如果没有,工作线程就从磁盘调入该页面,将该页面返回给客户机,然后工作线程阻塞,等待一个新请求。

下面是调度线程和工作线程的代码,这里假设 TRUE 为常数 1 ,buf 和 page 分别是保存工作请求和 Web 页面的相应结构。


调度线程的大致逻辑


while(TRUE){

get_next_request(&buf);
handoff_work(&buf);
}


工作线程的大致逻辑


while(TRUE){
wait_for_work(&buf);
look_for_page_in_cache(&buf,&page);
if(page_not_in_cache(&page)){
read_page_from_disk(&buf,&page);
}
return _page(&page);
}


单线程解决方案


现在考虑没有多线程的情况下,如何编写 Web 服务器。我们很容易的就想象为单个线程了,Web 服务器的主循环获取请求并检查请求,并争取在下一个请求之前完成工作。在等待磁盘操作时,服务器空转,并且不处理任何到来的其他请求。结果会导致每秒中只有很少的请求被处理,所以这个例子能够说明多线程提高了程序的并行性并提高了程序的性能。


状态机解决方案


到现在为止,我们已经有了两种解决方案,单线程解决方案和多线程解决方案,其实还有一种解决方案就是 状态机解决方案,它的流程如下

如果目前只有一个非阻塞版本的 read 系统调用可以使用,那么当请求到达服务器时,这个唯一的 read 调用的线程会进行检查,如果能够从高速缓存中得到响应,那么直接返回,如果不能,则启动一个非阻塞的磁盘操作

服务器在表中记录当前请求的状态,然后进入并获取下一个事件,紧接着下一个事件可能就是一个新工作的请求或是磁盘对先前操作的回答。如果是新工作的请求,那么就开始处理请求。如果是磁盘的响应,就从表中取出对应的状态信息进行处理。对于非阻塞式磁盘 I/O 而言,这种响应一般都是信号中断响应。

每次服务器从某个请求工作的状态切换到另一个状态时,都必须显示的保存或者重新装入相应的计算状态。这里,每个计算都有一个被保存的状态,存在一个会发生且使得相关状态发生改变的事件集合,我们把这类设计称为有限状态机(finite-state machine),有限状态机被广泛的应用在计算机科学中。

这三种解决方案各有各的特性,多线程使得顺序进程的思想得以保留下来,并且实现了并行性,但是顺序进程会阻塞系统调用;单线程服务器保留了阻塞系统的简易性,但是却放弃了性能。有限状态机的处理方法运用了非阻塞调用和中断,通过并行实现了高性能,但是给编程增加了困难。

模型特性
单线程无并行性,性能较差,阻塞系统调用
多线程有并行性,阻塞系统调用
有限状态机并行性,非阻塞系统调用、中断


经典的线程模型


理解进程的另一个角度是,用某种方法把相关的资源集中在一起。进程有存放程序正文和数据以及其他资源的地址空间。这些资源包括打开的文件、子进程、即将发生的定时器、信号处理程序、账号信息等。把这些信息放在进程中会比较容易管理。

另一个概念是,进程中拥有一个执行的线程,通常简写为 线程(thread)。线程会有程序计数器,用来记录接着要执行哪一条指令;线程还拥有寄存器,用来保存线程当前正在使用的变量;线程还会有堆栈,用来记录程序的执行路径。尽管线程必须在某个进程中执行,但是进程和线程完完全全是两个不同的概念,并且他们可以分开处理。进程用于把资源集中在一起,而线程则是 CPU 上调度执行的实体。

线程给进程模型增加了一项内容,即在同一个进程中,允许彼此之间有较大的独立性且互不干扰。在一个进程中并行运行多个线程类似于在一台计算机上运行多个进程。在多个线程中,各个线程共享同一地址空间和其他资源。在多个进程中,进程共享物理内存、磁盘、打印机和其他资源。因为线程会包含有一些进程的属性,所以线程被称为轻量的进程(lightweight processes)多线程(multithreading)一词还用于描述在同一进程中多个线程的情况。

下图我们可以看到三个传统的进程,每个进程有自己的地址空间和单个控制线程。每个线程都在不同的地址空间中运行

14.png

下图中,我们可以看到有一个进程三个线程的情况。每个线程都在相同的地址空间中运行。

15.png

线程不像是进程那样具备较强的独立性。同一个进程中的所有线程都会有完全一样的地址空间,这意味着它们也共享同样的全局变量。由于每个线程都可以访问进程地址空间内每个内存地址,因此一个线程可以读取、写入甚至擦除另一个线程的堆栈。线程之间除了共享同一内存空间外,还具有如下不同的内容

16.png

上图左边的是同一个进程中每个线程共享的内容,上图右边是每个线程中的内容。也就是说左边的列表是进程的属性,右边的列表是线程的属性。

和进程一样,线程可以处于下面这几种状态:运行中、阻塞、就绪和终止(进程图中没有画)。正在运行的线程拥有 CPU 时间片并且状态是运行中。一个被阻塞的线程会等待某个释放它的事件。例如,当一个线程执行从键盘读入数据的系统调用时,该线程就被阻塞直到有输入为止。线程通常会被阻塞,直到它等待某个外部事件的发生或者有其他线程来释放它。线程之间的状态转换和进程之间的状态转换是一样的

每个线程都会有自己的堆栈,如下图所示

17.png


线程系统调用


进程通常会从当前的某个单线程开始,然后这个线程通过调用一个库函数(比如 thread_create)创建新的线程。线程创建的函数会要求指定新创建线程的名称。创建的线程通常都返回一个线程标识符,该标识符就是新线程的名字。

当一个线程完成工作后,可以通过调用一个函数(比如 thread_exit)来退出。紧接着线程消失,状态变为终止,不能再进行调度。在某些线程的运行过程中,可以通过调用函数例如 thread_join ,表示一个线程可以等待另一个线程退出。这个过程阻塞调用线程直到等待特定的线程退出。在这种情况下,线程的创建和终止非常类似于进程的创建和终止。

另一个常见的线程是调用 thread_yield,它允许线程自动放弃 CPU 从而让另一个线程运行。这样一个调用还是很重要的,因为不同于进程,线程是无法利用时钟中断强制让线程让出 CPU 的。

            </div>

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