打開(kāi)線程?|?進(jìn)程?|?協(xié)程的大門

不知從幾何起，可能是大三那年的操作系統(tǒng)考試，也可能是剛經(jīng)歷完的秋招，這些概念總是迷迷糊糊，可能自己回答的和其他人的答復(fù)也差不多，并沒(méi)有什么亮點(diǎn)，通常都會(huì)以：「我們換個(gè)題」的方式結(jié)束，有時(shí)候也挺尷尬的。我們不妨看看這樣幾個(gè)題應(yīng)該怎么去回答

• 進(jìn)程和線程是什么

• 進(jìn)程和線程有什么區(qū)別

• 為什么有了進(jìn)程又出現(xiàn)線程

• 內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)有啥不同

• 協(xié)程有什么特點(diǎn)

太多太多一系列的問(wèn)題伴隨到學(xué)習(xí)，工作的各個(gè)階段，這些問(wèn)題確實(shí)不怎么好回答，除非你真的理解到它的底層原理，否則很容易就把自己套進(jìn)去，那么今天我們一起來(lái)看看這些問(wèn)題都是怎么產(chǎn)生的，為什么總是會(huì)問(wèn)這些題，開(kāi)始吧

前言

進(jìn)程和線程

進(jìn)程，平時(shí)我們打開(kāi)一個(gè)播放器，開(kāi)一個(gè)記事本，這些都是應(yīng)用程序，一個(gè)軟件的執(zhí)行副本，這就是進(jìn)程。從操作系統(tǒng)層面而言，進(jìn)程是分配資源的基本單位，線程在很長(zhǎng)時(shí)間被稱為輕量級(jí)的進(jìn)程，是程序執(zhí)行的基本單位。

這樣看來(lái)一個(gè)分配資源的基本單位，一個(gè)是程序執(zhí)行的基本單元。以前面試的時(shí)候，我經(jīng)常也就這樣背給面試官了，當(dāng)自己成為了面試官才發(fā)現(xiàn)這些孩子答案為啥都是這個(gè)，原來(lái)網(wǎng)上大部分的資料也就說(shuō)了這些呢，直接這樣死記硬背當(dāng)然不行，讓我們回到最初的計(jì)算機(jī)時(shí)代。

最初的計(jì)算機(jī)時(shí)代是什么樣子呢

那個(gè)時(shí)代呀，程序員會(huì)將寫(xiě)好的程序放入閃存中，然后插入到機(jī)器里，通過(guò)電能推動(dòng)芯片計(jì)算，那么芯片從閃存中取出指令，然后執(zhí)行下一條執(zhí)行，一旦閃存中的執(zhí)行執(zhí)行完了，計(jì)算機(jī)就要關(guān)機(jī)了

這在早期叫做單任務(wù)模型，也叫做作業(yè)(Job)。隨著人們的需求越來(lái)越多，生活的多元化，慢慢出現(xiàn)了辦公，聊天，游戲等，這個(gè)時(shí)候不得不在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中來(lái)回的切換，人們就想要不通過(guò)線程和進(jìn)程來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題

那是怎么處理的方式？

比如說(shuō)一個(gè)游戲，啟動(dòng)后為一個(gè)進(jìn)程，但是一個(gè)游戲場(chǎng)面的呈現(xiàn)需要圖形的渲染，聯(lián)網(wǎng)，這些操作不能相互的阻塞，如果阻塞了，卡起就很難受，總覺(jué)得這游戲怎么這么 low，我們希望它們能同時(shí)的運(yùn)行，所以將其各個(gè)部分設(shè)計(jì)為線程，這就出現(xiàn)了一個(gè)進(jìn)程有多個(gè)線程

既然一個(gè)進(jìn)程有多個(gè)線程，這個(gè)資源分配如何處理？

啟動(dòng)一個(gè)游戲，首先需要存儲(chǔ)這些游戲參數(shù)，所以需要內(nèi)存資源，當(dāng)進(jìn)行攻擊等動(dòng)作時(shí)候，發(fā)出的各種動(dòng)作指令需要計(jì)算，所以需要計(jì)算資源 CPU，還需要需要存儲(chǔ)一些文件，所以還需要文件資源。由于早期的 OS 沒(méi)有線程的概念，所以讓各個(gè)進(jìn)程采用分時(shí)的技術(shù)交替執(zhí)行，通過(guò)管道等技術(shù)讓各個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信。

這樣看上去比較完美了，啟動(dòng)一個(gè)游戲后出來(lái)這么多進(jìn)程，那么能不能啟動(dòng)游戲后，在這個(gè)進(jìn)程下面安排一種技術(shù)，讓其僅僅分配 CPU 資源呢，這就出現(xiàn)了線程

這個(gè)線程如何分配的？

線程概念被提出來(lái)以后，因?yàn)橹环峙淞薈PU 計(jì)算資源，所以也叫做輕量級(jí)的進(jìn)程。通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)調(diào)度線程，也就是說(shuō)操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程后，“牽個(gè)線”，進(jìn)程的入口程序被放在主線程中，看起來(lái)就感覺(jué)是操作系統(tǒng)在調(diào)度進(jìn)程，實(shí)際上調(diào)度的是進(jìn)程中線程，這種被操作系統(tǒng)直接調(diào)度的線程叫做內(nèi)核級(jí)線程。

既然有內(nèi)核級(jí)別線程，當(dāng)然有用戶級(jí)線程，相當(dāng)于操作系統(tǒng)調(diào)度線程，主線程通過(guò)程序的方式實(shí)現(xiàn)子線程，這就是用戶級(jí)線程，典型的即 Linux 中的 Phread API。既然說(shuō)到內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)，我們來(lái)看看兩者有什么作用

用戶態(tài)線程

它完全是在用戶空間創(chuàng)建，對(duì)于操作系統(tǒng)而言是不知情的，用戶級(jí)線程的優(yōu)勢(shì)如下：

• 切換成本低：用戶空間自己維護(hù)，不用走操作系統(tǒng)的調(diào)度

• 管理開(kāi)銷小：創(chuàng)建和銷毀不用系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用所造成的上下文切換下文會(huì)講解

用戶態(tài)線程有什么缺點(diǎn)

• 與內(nèi)核溝通成本大：因?yàn)檫@種線程大部分時(shí)間在用戶空間，如果進(jìn)行 IO 操作，很難利用內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)，且需要頻繁的用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的切換

• 線程之間的協(xié)作麻煩：想象兩個(gè)線程 A 和 B需要通信，通信通常會(huì)涉及到 IO 操作，IO 操作涉及到系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)調(diào)用又要發(fā)生用戶態(tài)和內(nèi)核套的切換成本，難

• 操作系統(tǒng)無(wú)法針對(duì)線程的調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化：如果一個(gè)進(jìn)程的用戶態(tài)線程阻塞了操作系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理阻塞問(wèn)題，它不會(huì)切換其他線程從而造成浪費(fèi)

內(nèi)核態(tài)線程

內(nèi)核態(tài)線程執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)，一般通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)造一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，那么有哪些優(yōu)點(diǎn)？

• 操作系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：內(nèi)核中的線程即使執(zhí)行 IO 操作也不需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，一個(gè)內(nèi)核阻塞可以讓其他立即執(zhí)行

• 充分利用多核優(yōu)勢(shì)：內(nèi)核權(quán)限足夠高，可以在多個(gè) CPU 核心執(zhí)行內(nèi)核線程

內(nèi)核級(jí)線程有什么缺點(diǎn)？

• 創(chuàng)建成本比較高：創(chuàng)建的時(shí)候需要使用系統(tǒng)調(diào)用即切換到內(nèi)核態(tài)

• 切換成本高：切換的時(shí)候需要進(jìn)行內(nèi)核操作

• 擴(kuò)展性差：因?yàn)橐粋€(gè)內(nèi)核管理，坑位有限，不可能數(shù)量太多

用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)線程的映射關(guān)系是怎樣的呢

上面談到用戶態(tài)線程和內(nèi)核態(tài)線程都有缺點(diǎn)，用戶態(tài)線程創(chuàng)建成本低，不可以利用多核，而內(nèi)核態(tài)線程創(chuàng)建成本高，雖可以利用多核，但是切換速度慢。所以，通常都會(huì)在內(nèi)核中預(yù)留一些線程并反復(fù)使用這些線程，至此出現(xiàn)了以下幾種映射關(guān)系

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之一--多對(duì)一

內(nèi)核線程的創(chuàng)建成本既然高，那么我們就是多個(gè)用戶態(tài)進(jìn)程的多線程復(fù)用一個(gè)內(nèi)核態(tài)線程，可是這樣線程不能并發(fā)，所以此模型用戶很少

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之二--一對(duì)一

讓每個(gè)用戶態(tài)線程分配一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)核態(tài)線程，每個(gè)用戶態(tài)線程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)綁定的內(nèi)核線程，這種模型能夠并發(fā)執(zhí)行，充分利用多核的優(yōu)勢(shì)，出名的 Windows NT即采用這種模型，但是如果線程比較多，對(duì)內(nèi)核的壓力就太大

用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)映射之三--多對(duì)多

即 n 個(gè)用戶態(tài)線程對(duì)應(yīng) m 個(gè)內(nèi)核態(tài)線程。m通常小于等于n，m通常設(shè)置為核數(shù)，這種多對(duì)多的關(guān)系減少了內(nèi)核線程且完成了并發(fā)，Linux即采用的這種模型

一臺(tái)計(jì)算機(jī)會(huì)啟動(dòng)很多進(jìn)程，其數(shù)量當(dāng)然是大于 CPU 數(shù)量，只好讓 CPU 輪流的分配給它們，讓我們產(chǎn)生了多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行的錯(cuò)覺(jué)，那有沒(méi)有想過(guò)這些任務(wù)執(zhí)行之前，CPU都會(huì)干啥？

CPU 既然要執(zhí)行它，勢(shì)必會(huì)去了解從哪里加載它，又從哪里開(kāi)始運(yùn)行，也就是說(shuō)，需要系統(tǒng)提前將它們?cè)O(shè)置好 CPU 寄存器和程序計(jì)數(shù)器

眼中的寄存器和程序計(jì)數(shù)器是什么？

它雖小不過(guò)威力卻很大，速度很快的內(nèi)存。而程序計(jì)數(shù)器用來(lái)記錄正在執(zhí)行指令的位置，這些CPU需要依賴的環(huán)境即 CPU 的上下文。上下文知道了，那么 CPU 的切換是不是就很好理解

將前一個(gè)任務(wù)的 CPU 上下文保存下來(lái)，加載新任務(wù)的上下文到寄存器和程序計(jì)數(shù)器中，然后跳轉(zhuǎn)到程序計(jì)數(shù)器所指向的位置。根據(jù)任務(wù)的不同又分為進(jìn)程的上下文和線程的上下文

進(jìn)程的上下文

進(jìn)程在用戶空間運(yùn)行的時(shí)候叫做用戶態(tài)，陷入到內(nèi)核空間叫做進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)，如果用戶態(tài)的進(jìn)程想轉(zhuǎn)變到內(nèi)核態(tài)，則可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式完成。進(jìn)程由內(nèi)核調(diào)度，進(jìn)程的切換發(fā)生在內(nèi)核態(tài)

進(jìn)程的上下文包含哪些數(shù)據(jù)？

既然進(jìn)程的切換發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，那么進(jìn)程的上下文不僅僅包括虛擬內(nèi)存，棧，全局變量等用戶空間資源，還包括了內(nèi)核堆棧，寄存器等內(nèi)核空間的狀態(tài)

這里的保存上下文和恢復(fù)上下文也不是說(shuō)免費(fèi)的，需要內(nèi)核在 CPU 上運(yùn)行才能完成

線程上下文切換

看到這里，你肯定可以脫口而出兩者的區(qū)別在于線程是調(diào)度的基本單位，而進(jìn)程是資源擁有的基本單位。講白了，內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度實(shí)際上調(diào)度的是線程，進(jìn)程只是為線程提供虛擬內(nèi)存，全局變量等資源，所以這樣理解可能更好：

• 進(jìn)程如果只有一個(gè)線程，那么認(rèn)為進(jìn)程就是線程

• 如果進(jìn)程有多個(gè)線程，那么多個(gè)線程會(huì)共享相同的虛擬內(nèi)存和全局變量等資源，上下文的切換不會(huì)影響這些資源

• 線程擁有自己的私有數(shù)據(jù)比如棧和寄存器，上下文切換的時(shí)候需要提前保存

綜上，線程的上下文切換將分為兩個(gè)部分

• 兩個(gè)線程不屬于同一個(gè)進(jìn)程，那么資源不共享，所以切換過(guò)程就會(huì)涉及到進(jìn)程的上下文切換

• 第二種情況即兩個(gè)線程屬于同一個(gè)進(jìn)程。因?yàn)楣蚕硖摂M內(nèi)存，所以切換的時(shí)候這些資源保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)等不共享的數(shù)據(jù)

這也從側(cè)面表明了，進(jìn)程內(nèi)的線程切換比多進(jìn)程間的切換會(huì)節(jié)省不少資源，這也是多線程逐漸替代多進(jìn)程的一個(gè)優(yōu)勢(shì)

那么系統(tǒng)調(diào)用又是怎么執(zhí)行的？

真的是一環(huán)接一環(huán)，是不是像極了面試，是的，我們對(duì)面試官的每一次回答都應(yīng)該盡全力的讓面試官上鉤，問(wèn)自己所能回答的問(wèn)題不是。

如果用戶態(tài)的程序要執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，則需要切換到內(nèi)核態(tài)執(zhí)行，這個(gè)過(guò)程如下圖所示，一圖勝千言

既然分為了用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，兩者權(quán)限級(jí)別不盡相同，用戶態(tài)的程序發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)樯婕暗綑?quán)限問(wèn)題，不得不牽扯到特權(quán)指令，所以就會(huì)通過(guò)中斷的方式執(zhí)行，即上圖的 Trap。

發(fā)生中斷以后，內(nèi)核程序就開(kāi)始執(zhí)行，處理完成又要觸發(fā) Trap，切換到用戶態(tài)的工作，這里又涉及到了中斷，我們這篇就先簡(jiǎn)單了解下中斷

中斷做了什么？

我們以平時(shí)經(jīng)常接觸的鍵盤(pán)為例，當(dāng)我們敲下鍵盤(pán)，主板收到按鍵后通知 CPU ，CPU 此時(shí)可能在忙處理其他程序，需要先中斷當(dāng)前執(zhí)行的程序，然后將 PC 指針跳轉(zhuǎn)到固定的位置，這就是一次中斷的簡(jiǎn)單描述

可是我們不同的組合按鍵對(duì)應(yīng)不同的事件，所以需要根據(jù)中斷類型判斷 PC 指針到底跳轉(zhuǎn)到哪兒，中斷類型的不同，PC 指針?biāo)鶊?zhí)行的位置也就不同，因此進(jìn)行了分類，這個(gè)類型呢我們稱為中斷識(shí)別碼。CPU 通過(guò) PC 指針知道需要跳轉(zhuǎn)到哪個(gè)地址進(jìn)行處理，這個(gè)地址叫做 中斷向量表

舉個(gè)例子，使用編號(hào) 8 表示按鍵中斷類型A的識(shí)別碼，編號(hào) 9 表示中斷類型 B 的識(shí)別碼。當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，對(duì)于CPU而言，是需要知道到底讓 PC 指針指向哪個(gè)地址，這個(gè)地址就是中斷向量

假設(shè)我們?cè)O(shè)置了 255 個(gè)中斷，編號(hào)為 0 - 255，在 32 位機(jī)器中差不多需要 1k 的內(nèi)存地址存儲(chǔ)中斷向量，這里的 1k 空間就是中斷向量表。

因此，當(dāng) CPU 接收到中斷，根據(jù)中斷類型操作 PC 指針，找到中斷向量，修改中斷向量，插入指令實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)功能

進(jìn)程和線程都出現(xiàn)了，那么怎么調(diào)度？

計(jì)算機(jī)資源有限，太多的進(jìn)程消耗機(jī)器自然受不住，我們?nèi)艘惨粯?，胃也有限嘛，一頓不吃餓得慌，可是吃多了也會(huì)走路腳顫抖不是，所以聰明的計(jì)算機(jī)也會(huì)想辦法來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。兩手一揮，既然我們的 CPU 的核數(shù)有限，要不咋們給每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，排隊(duì)一個(gè)個(gè)執(zhí)行，超出給定的時(shí)間就直接讓另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行如何

那時(shí)間片怎么分配？

假設(shè)此時(shí)有三個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程1只需要 2 個(gè)時(shí)間片，進(jìn)程2需要1個(gè)時(shí)間片，進(jìn)程3需要3個(gè)時(shí)間片。進(jìn)程1執(zhí)行到一半的時(shí)候，累了，不想執(zhí)行了，休息會(huì)(掛起)，進(jìn)程2執(zhí)行，進(jìn)程2一梭子就執(zhí)行完了，進(jìn)程3等不及了馬上執(zhí)行，執(zhí)行三分之一后，進(jìn)程1開(kāi)始執(zhí)行，這樣循環(huán)根據(jù)時(shí)間片的執(zhí)行方式即分時(shí)技術(shù)

剛才有說(shuō)到進(jìn)程的狀態(tài)，那么有哪些狀態(tài)？

一個(gè)進(jìn)程的周期一般會(huì)分為下面三種狀態(tài)

• 就緒狀態(tài)：進(jìn)程創(chuàng)建好了會(huì)開(kāi)始排隊(duì)，這個(gè)時(shí)候叫做“就緒狀態(tài)”

• 運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒，天時(shí)地利人和后開(kāi)始執(zhí)行，此時(shí)為“運(yùn)行狀態(tài)”

• 如果將時(shí)間片用完了會(huì)再次變?yōu)榫途w狀態(tài)

如果進(jìn)程因?yàn)榈却硞€(gè)進(jìn)程的完成，此時(shí)會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)

為什么需要阻塞狀態(tài)

我們想想，有的時(shí)候計(jì)算機(jī)會(huì)因?yàn)楦鞣N原因不能響應(yīng)我們的請(qǐng)求，可能是因?yàn)榈却疟P(pán)，可能因?yàn)榈却蛴C(jī)，畢竟不會(huì)總是的及時(shí)的滿足我們的需求，所以它這個(gè)時(shí)候通過(guò)中斷告訴 CPU ，CPU 通過(guò)執(zhí)行中斷處理程序，將控制權(quán)給操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)隨后將阻塞的進(jìn)程狀態(tài)修改為就緒狀態(tài)，安排重新排隊(duì)，再加上因?yàn)檫M(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)無(wú)事可做，但是又不能干癟癟的讓他去排隊(duì)（因?yàn)樾枰却袛啵赃M(jìn)入到阻塞狀態(tài)。

下面對(duì)以上所說(shuō)的三種狀態(tài)進(jìn)行一個(gè)小結(jié)

• 就緒狀態(tài)( Ready )：可運(yùn)行，只不過(guò)其他進(jìn)程在運(yùn)行暫時(shí)停止

• 運(yùn)行( Running)：此時(shí)進(jìn)程占用 CPU

• 阻塞狀態(tài)( blo ck ): 此時(shí)可能因?yàn)榈却嚓P(guān)事件(請(qǐng)求 IO/等待 IO 完成等) 而停止運(yùn)行，此時(shí)即使把 CPU 控制權(quán)給它，仍然無(wú)法運(yùn)行

其實(shí)，進(jìn)程還有兩種基本狀態(tài)

• 創(chuàng)建狀態(tài) ( New )：進(jìn)程剛被創(chuàng)建還沒(méi)有提交時(shí)的狀態(tài)，主要功能為分配和建立進(jìn)程控制塊等初始化工作。創(chuàng)建進(jìn)程有兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為為新的進(jìn)程創(chuàng)建必要的管理信息。第二個(gè)階段為讓進(jìn)程進(jìn)入就緒狀態(tài)

• 終止?fàn)顟B(tài) ( Exit )：進(jìn)程退出的狀態(tài)，即回收除了進(jìn)程控制塊以外的資源。也分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為等待操作系統(tǒng)進(jìn)行善后處理，第二個(gè)階段為釋放主存

所以一共就包含了五個(gè)狀態(tài)，為了更加直觀，其變遷圖如下

• Null---->創(chuàng)建狀態(tài)：最初創(chuàng)建的第一個(gè)狀態(tài)

• 創(chuàng)建狀態(tài)----->就緒狀態(tài)：進(jìn)行一些列的初始化稱為就緒狀態(tài)

• 就緒狀態(tài)----->運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)度就緒狀態(tài)的進(jìn)程并分配給 CPU 變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)

• 運(yùn)行狀態(tài)------>結(jié)束狀態(tài)：當(dāng)進(jìn)程完成相應(yīng)任務(wù)或出錯(cuò)則被操作系統(tǒng)結(jié)束的狀態(tài)

• 運(yùn)行狀態(tài)------>阻塞狀態(tài)：運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程由于時(shí)間片用完，操作系統(tǒng)將進(jìn)程更改為就緒狀態(tài)

• 阻塞狀態(tài)------->就緒狀態(tài)：阻塞狀態(tài)的進(jìn)程等待某事件結(jié)束進(jìn)入就緒狀態(tài)

其實(shí)不是賣光子，實(shí)際上還有兩種狀態(tài)，分別是就緒掛起和阻塞掛起，那我們看看那這兩者有啥不一樣

• 掛起是一種行為，而阻塞是進(jìn)程的狀態(tài)

• 導(dǎo)致進(jìn)程掛起的原因通常是因?yàn)閮?nèi)存不足或者用戶的請(qǐng)求，進(jìn)程的修改等，而進(jìn)程的阻塞是進(jìn)程正在等待某個(gè)事件發(fā)生，可能是等待資源或響應(yīng)

• 掛起對(duì)應(yīng)的是行為的激活，將外存中的進(jìn)程掉入內(nèi)存中，而處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程需要等待其他進(jìn)程或系統(tǒng)喚醒

• 掛起屬于被動(dòng)行為，進(jìn)程被迫從內(nèi)存轉(zhuǎn)移到外存，而進(jìn)入阻塞為主動(dòng)的行為

綜上，現(xiàn)在咋們的進(jìn)程圖就變?yōu)榱似叻N狀態(tài)，如下

進(jìn)程與線程的底層原理

上面我們了解了進(jìn)程，線程的由來(lái)以及狀態(tài)變遷，但是顯然不能讓我自如的了解進(jìn)程和線程，至于其如何在內(nèi)存表示等問(wèn)題還是比較空虛的，所以我們繼續(xù)往下看

進(jìn)程和線程在內(nèi)存中如何表示

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及了兩張表，分別是進(jìn)程表和線程表。其中進(jìn)程表會(huì)記錄進(jìn)程在內(nèi)存的位置，PID是多少，以及當(dāng)前什么狀態(tài)，內(nèi)存給它分配了多大使用空間以及屬于哪個(gè)用戶，假設(shè)沒(méi)有這張表，操作系統(tǒng)就不知道有哪些進(jìn)程，也就更不清楚怎么去調(diào)度，就仿佛失去XXX，不知道了方向

尤其需要注意進(jìn)程表這樣幾個(gè)部分

• 資源信息

資源信息會(huì)記錄這個(gè)進(jìn)程有哪些資源，比如進(jìn)程和虛擬內(nèi)存怎么映射，擁有哪些文件等

• 內(nèi)存布局

內(nèi)存的知識(shí)點(diǎn)太多，如果在這里寫(xiě)文章將會(huì)非常的長(zhǎng)，所以打算單獨(dú)使用一篇文章寫(xiě)。

在 Linux 中，操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，使得進(jìn)程都擁有獨(dú)立的虛擬內(nèi)存空間，理由也比較直接，物理內(nèi)存不夠用且不安全(用戶不能直接訪問(wèn)物理內(nèi)存)，使用虛擬內(nèi)存不但更安全且可以使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。

另外，在 32 位的操作系統(tǒng)中，4GB 的進(jìn)程地址空間分為兩個(gè)部分，用戶空間和內(nèi)核空間，用戶空間為 0～3G，內(nèi)核地址空間占據(jù) 3～4G，用戶不能直接操作內(nèi)核空間虛擬地址，只有通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的方式訪問(wèn)內(nèi)核空間。

操作系統(tǒng)會(huì)告訴進(jìn)程如何使用內(nèi)存，大概分為哪些區(qū)域以及每個(gè)區(qū)域做什么。簡(jiǎn)單描述下下圖各個(gè)段的作用。

• 棧：系統(tǒng)自動(dòng)分配釋放，平時(shí)經(jīng)常使用的函數(shù)參數(shù)值，局部變量，返回地址等就在此

• 堆：存放動(dòng)態(tài)分配的數(shù)據(jù)，通常由開(kāi)發(fā)人員自行管理，如果開(kāi)發(fā)人員使用后不釋放，那么程序結(jié)束后可能會(huì)被操作系統(tǒng)收回

• 數(shù)據(jù)段：存放的是全局變量和靜態(tài)變量。其中初始化數(shù)據(jù)段（.data）存放顯示初始化的全局變量和靜態(tài)變量，未初始化數(shù)據(jù)段，此段通常也被稱為BSS段（.bss），存放未進(jìn)行顯示初始化的全局變量和靜態(tài)變量。

• 描述信息

描述信息包含進(jìn)程的唯一識(shí)別號(hào)，進(jìn)程的名稱以及用戶等

除了給進(jìn)程安排一張表以外，給線程也安排了一張表，這就是線程表。線程表也包含了一個(gè) ID,這 ID 叫做 ThreadID，同時(shí)也會(huì)記錄自己在不同階段的狀態(tài)，比如阻塞，運(yùn)行，就緒。由于多個(gè)線程會(huì)共用 CPU 且需要不停的切換，所以需要記錄程序計(jì)數(shù)器和寄存器的值。

說(shuō)到了用戶級(jí)的線程和內(nèi)核級(jí)的線程，兩者又是怎么個(gè)親密關(guān)系

兩者映射的關(guān)系如何去表示

可以想像在內(nèi)核中有一個(gè)線程池，給予用戶空間使用，每次用戶級(jí)線程把程序計(jì)數(shù)器等傳遞過(guò)去，執(zhí)行結(jié)束后，內(nèi)核線程不銷毀，等待下一個(gè)任務(wù)，從這里可以看出創(chuàng)建進(jìn)程開(kāi)銷大、成本高；創(chuàng)建線程開(kāi)銷小，成本低。

這么多進(jìn)程難道共用內(nèi)存？

操作系統(tǒng)太多的進(jìn)程，為了讓他們各司其職，互不干擾，考慮為他們分配完全隔離的內(nèi)存區(qū)域，即使程序內(nèi)部讀取相同的內(nèi)存地址，但實(shí)際上他們的物理地址也不一樣。就仿佛我在 X 座的 501 和你在 Y 座的501一樣卻不是一個(gè)房子，這就是地址空間

所以在正常的情況下 A 進(jìn)程不能訪問(wèn) B 進(jìn)程的內(nèi)存，除非你植入一個(gè)木馬，惡意操作 B 進(jìn)程的內(nèi)存或者通過(guò)我們后面說(shuō)的進(jìn)程間通信的方式進(jìn)行訪問(wèn)

那進(jìn)程線程怎么切換的呢？

操作系統(tǒng)的大量進(jìn)程需要來(lái)回的切換，保持有借有還再借不難的傳統(tǒng)美德，每次切換之前需要先記錄下當(dāng)前寄存器值的內(nèi)存地址，方便下次回到原位置繼續(xù)執(zhí)行?；謴?fù)執(zhí)行的時(shí)候就從內(nèi)存中讀取，然后恢復(fù)狀態(tài)執(zhí)行即可

為了詳細(xì)的讓大家理解這個(gè)過(guò)程，我將其拆分為下面幾個(gè)步驟

• 操作系統(tǒng)感知到有個(gè)進(jìn)程需要切換，先發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)給 CPU ，讓其停止當(dāng)前進(jìn)程

• CPU 收到中斷信號(hào)后，正在執(zhí)行的進(jìn)程會(huì)停止，好心的操作系統(tǒng)會(huì)想辦法先保存當(dāng)前的狀態(tài)

• 操作系統(tǒng)接管中斷后，執(zhí)行一段匯編程序幫助寄存器之前進(jìn)程的狀態(tài)

• 當(dāng)操作系統(tǒng)保存好狀態(tài)后就會(huì)執(zhí)行調(diào)度程序，讓其決定下一個(gè)將要執(zhí)行的進(jìn)程

• 最后操作系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行下一個(gè)進(jìn)程

中斷以后如何恢復(fù)之前進(jìn)程運(yùn)行呢

上面說(shuō)到操作系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行一段代碼幫助進(jìn)程恢復(fù)狀態(tài)，其實(shí)現(xiàn)方式中，有一種方式即通過(guò)棧的先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)吧，大學(xué)中的基礎(chǔ)課程真的好重要。

進(jìn)程（線程）中斷后，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)壓棧關(guān)鍵數(shù)據(jù)（比如寄存器）?；謴?fù)執(zhí)行時(shí)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)出棧和恢復(fù)寄存器的值。

協(xié)程

第一次接觸協(xié)程是一次自動(dòng)駕駛項(xiàng)目中，一起干活的同事說(shuō)這個(gè)庫(kù)底層使用了協(xié)程，我一臉懵逼，?。繑y程？準(zhǔn)備收拾行李回家了？半天想過(guò)來(lái)了，其有個(gè)底層庫(kù)使用了協(xié)程，當(dāng)時(shí)還一臉懵逼，進(jìn)程，線程就已經(jīng)夠折騰人了，怎么又來(lái)個(gè)協(xié)程，當(dāng)時(shí)想著到時(shí)候面試官是不是又多了問(wèn)問(wèn)題的思路

• 什么是協(xié)程

• 協(xié)程和進(jìn)程，線程的區(qū)別是什么

• 協(xié)程有什么優(yōu)缺點(diǎn)

你們說(shuō)頭不禿怎么破？行嘛，為了生活，不，喜愛(ài)計(jì)算機(jī)，止不住學(xué)習(xí)的步伐，下面我們看看這個(gè)東西是什么

為什么需要協(xié)程？

我們?cè)趫?zhí)行多任務(wù)的時(shí)候通常采用多線程的方式并發(fā)執(zhí)行。我們以最近非?；馃岬碾娚檀黉N茅臺(tái)為例，不管茅臺(tái)是在緩存中還是后端的數(shù)據(jù)，最開(kāi)始的用戶也就是10個(gè)，每當(dāng)收到10條付款信息就開(kāi)啟10個(gè)線程去查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，此時(shí)用戶量少，馬上就可返回，第二天增加到100人，使用100個(gè)線程去查詢，感覺(jué)確實(shí)效果不錯(cuò)，加大促銷力度，當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)1000個(gè)人的時(shí)候感覺(jué)到有點(diǎn)吃力了

1000-10000，看了前面的內(nèi)容應(yīng)該清楚創(chuàng)建銷毀線程還是挺費(fèi)資源的，假設(shè)每個(gè)線程占用 4M內(nèi)存空間，那么10000個(gè)線程大概需要消耗 39G 內(nèi)存，可是服務(wù)器也就 8G 內(nèi)存。

此時(shí)的方案要么增加服務(wù)器要么提升代碼效率。多個(gè)線程在進(jìn)行作業(yè)的時(shí)候，難免會(huì)遇到某個(gè)線程等待 IO 的情況，此時(shí)會(huì)阻塞當(dāng)前線程切換到其他線程，使得其他線程照常執(zhí)行，線程少的時(shí)候沒(méi)什么問(wèn)題，當(dāng)線程數(shù)量變多就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，線程數(shù)量的增加不僅占用非常多的內(nèi)存空間且過(guò)多的線程的切換也會(huì)占用大量的系統(tǒng)時(shí)間

此時(shí)就可以通過(guò)協(xié)程的方式解決這個(gè)問(wèn)題

協(xié)程運(yùn)行在線程之上，協(xié)程執(zhí)行完成后，可以選擇主動(dòng)讓出，讓另一個(gè)協(xié)程運(yùn)行在當(dāng)前線程之上。即協(xié)程并沒(méi)有增加線程的數(shù)量，而是在線程的基礎(chǔ)上通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方式運(yùn)行多個(gè)協(xié)程，還有關(guān)鍵一點(diǎn)是它的切換發(fā)生在用戶態(tài)，所有也不存在用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換，代價(jià)更低

類比上面，我們只需要啟動(dòng) 100 個(gè)線程，然后每個(gè)線程跑100個(gè)協(xié)程就可以完成上述同時(shí)處理10000個(gè)任務(wù)

那么協(xié)程在使用的過(guò)程中需要主要哪些內(nèi)容呢

剛說(shuō)協(xié)程運(yùn)行于線程之上，如果線程等待 IO 的時(shí)候阻塞了，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)什么情況？其實(shí)操作系統(tǒng)主要關(guān)心線程，協(xié)程調(diào)用阻塞IO的時(shí)候，操作系統(tǒng)會(huì)讓進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)，此時(shí)當(dāng)前的協(xié)程和綁定在線程之上的協(xié)程都會(huì)陷入阻塞而得不到調(diào)度，這樣就很難受了

因此協(xié)程中，不能調(diào)用導(dǎo)致線程阻塞的操作，即協(xié)程最好了異步 IO 結(jié)合起來(lái)才能發(fā)揮最大的威力

怎么處理在協(xié)程中調(diào)用阻塞IO的操作呢

• 比較簡(jiǎn)答的思路是當(dāng)調(diào)用阻塞 IO 的時(shí)候，重新啟動(dòng)一個(gè)線程去執(zhí)行這個(gè)操作，等執(zhí)行完成后，協(xié)程再去讀取結(jié)果，這是不是和多線程很像

• 將系統(tǒng) IO 進(jìn)行封裝，改為異步調(diào)用的方式，此時(shí)需要大量的工作，所以需要寄生于編程語(yǔ)言的原生支持

所以對(duì)于計(jì)算密集型的任務(wù)不太建議使用協(xié)程，計(jì)算機(jī)密集型的任務(wù)需要大量的線程切換，線程切換涉及太多的資源交換

總結(jié)

線程進(jìn)程涉及的知識(shí)點(diǎn)好復(fù)雜，本文包含了線程，進(jìn)程是什么，兩者的區(qū)別，內(nèi)核級(jí)線程與用戶態(tài)線程，線程進(jìn)程的上下文切換，系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程等一系列知識(shí)點(diǎn)，并沒(méi)有對(duì)進(jìn)程的調(diào)度等做詳細(xì)的介紹，自己還需要多多補(bǔ)充知識(shí)。

不知不覺(jué)中這篇文章從素材的確認(rèn)，關(guān)鍵字的過(guò)濾，上下文的銜接，畫(huà)圖，算下來(lái)差不多兩周，不過(guò)在這個(gè)過(guò)程確實(shí)學(xué)習(xí)了不少新的知識(shí)點(diǎn)。有點(diǎn)收獲不妨點(diǎn)贊，在看，謝謝！