进程、线程、调度

在一个进程的活动期间至少具备三种基本状态：运行状态、就绪状态、阻塞状态和另外两种基本状态：创建状态、结束状态

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；
运行状态（Runing）：该时刻进程占用 CPU；
就绪状态（Ready）：可运行，但因为其他进程正在运行而暂停停止；
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；

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；

挂起状态

状态变迁

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。

进程描述信息

进程控制和管理信息

资源分配清单

CPU 相关信息

链表组织

索引组织

概念

过程

概念

过程

概念

过程

概念

过程

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。

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。

步骤

图解

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；

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

存在问题

存在问题

综上所述，我们需要一种新的实体，来解决以上问题

特性需求

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。

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，但每个线程都有独立一套的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

优点

缺点

进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；

进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；

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；

线程能减少并发执行的时间和空间开销；

线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；

线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；

同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；

由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；

线程比进程不管是时间效率，还是空间效率都要高

线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。所以，所谓操作系统的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源；

当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程；

当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；

线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；

当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

用户线程（User Thread）：在用户空间实现的线程，不是由内核管理的线程，是由用户态的线程库来完成线程的管理；

内核线程（Kernel Thread）：在内核中实现的线程，是由内核管理的线程；

轻量级进程（LightWeight Process）：在内核中来支持用户线程；

概念

优缺点

概念

优缺点

概念

LWP与用户线程的对应关系

从就绪态 -> 运行态：当进程被创建时，会进入到就绪队列，操作系统会从就绪队列选择一个进程运行；

从运行态 -> 阻塞态：当进程发生 I/O 事件而阻塞时，操作系统必须另外一个进程运行；

从运行态 -> 结束态：当进程退出结束后，操作系统得从就绪队列选择另外一个进程运行；

非抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程运行直到被阻塞，或者直到该进程退出，才会调用另外一个进程，也就是说不会理时钟中断这个事情。

抢占式调度算法挑选一个进程，然后让该进程只运行某段时间，如果在该时段结束时，该进程仍然在运行时，则会把它挂起，接着调度程序从就绪队列挑选另外一个进程。这种抢占式调度处理，需要在时间间隔的末端发生时钟中断，以便把 CPU 控制返回给调度程序进行调度，也就是常说的时间片机制。

CPU 利用率：调度程序应确保 CPU 是始终匆忙的状态，这可提高 CPU 的利用率；

系统吞吐量：吞吐量表示的是单位时间内 CPU 完成进程的数量，长作业的进程会占用较长的 CPU 资源，因此会降低吞吐量，相反，短作业的进程会提升系统吞吐量；

周转时间：周转时间是进程运行和阻塞时间总和，一个进程的周转时间越小越好；

等待时间：这个等待时间不是阻塞状态的时间，而是进程处于就绪队列的时间，等待的时间越长，用户越不满意；

响应时间：用户提交请求到系统第一次产生响应所花费的时间，在交互式系统中，响应时间是衡量调度算法好坏的主要标准。

先来先服务（First Come First Severd, FCFS）算法

最短作业优先（Shortest Job First, SJF）调度算法

高响应比优先 （Highest Response Ratio Next, HRRN）调度算法

时间片轮转（Round Robin, RR）调度算法

最高优先级（Highest Priority First，HPF）调度算法

多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）调度算法