文章目录

进程的创建
- 哪些事件导致进程的创建
- fork 和 exec 命令创建和控制进程
- - fork() 命令
  - execve() 命令
进程的状态
中断
- 中断的种类
线程
- 线程共享内容
- 线程独有内容
进程和线程的比较
- 线程的好处
线程的类别及区别
- user-level thread（用户级别的线程）
- - user-level thread 的优点
  - user-level thread 的缺点
- kernel-level thread(内核级别的线程)
- - kernel-level thread 的优点
  - kernel-level thread 的缺点
竞态条件
Critical region
- 解决 Critical region 的各种问题可以使用的策略
- 范例研究
- - 通过 lock variable 来解决 critical region 的 race condition 问题
  - 通过 busy waiting 来解决 critical region 的 race condition 问题
  - - busy waiting 的特点和缺点
死锁 deadlock
- 何时发生
- 解决死锁
CPU 密集型 / IO 密集型进程
进程调度 Process scheduler
- 几种重要的时间
- 调度的目标

进程的创建

哪些事件导致进程的创建

system initialization：当系统启动的时候会按照设定创建和启动一些固定的进程
Execution of a process creation system call by a running process：一个进程在执行的时候可能通过 “进程创建系统” 来创建一个新的进程
A user request to create a new process：用户创建新的进程（双击打开某个软件）
Initiation of a batch job

fork 和 exec 命令创建和控制进程

fork() 命令

fork() 命令会创建一个新的进程，自己作为 parent 进程； fork 命令会在 parent 执行 fork 命令的时候返回 child 的进程号，
然后把子进程执行过程中路过 fork 命令的时候将进程号置为 0
当子进程创建的时候，他会和父进程共享程序计数器(program counter)，cpu寄存器，和打开的文件（openfile）

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main(){int x;int count = 0;x = fork();printf("\nrun ...");printf("%d",x);}

run ...94779
run ...0

首先当这个进程从 main 中的第一行开始执行，通过 fork 创建了子进程并返回了子进程的 id=94779
然后这个时候子进程被创建了，依然是从头开始执行这个进程，但是在经过 fork() 的那一行，x 被设置成了 0
你可以这么理解，就是系统能够识别到底是父进程发出的 fork 命令，还是子进程中的 fork 命令，当子进程经过 fork 命令的时候，返回 0
如果程序如下，会产生什么样的结果呢：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(){int pid;int count = 0;printf("fork1:%d:%d\n",getpid(),fork());printf("fork2:%d:%d\n",getpid(),fork());}

fork1:95301:95302
fork2:95301:95303
fork2:95303:0
fork1:95302:0
fork2:95302:95304
fork2:95304:0

这个过程可能不好理解，但是你可以试着去想一下：

父进程 95301 经过第一个 fork 创建了 child1 95302
父进程 95301 经过第二个 fork 创建了 child2 95303
child2 经过第一个 fork 的时候，啥反应也没有，所以什么也没打印
child2 经过第二个 fork 的时候，返回了 0 所以打印了 fork2:95303:0
child1 经过第一个 fork 的时候，返回了 0 所以打印了 fork1:95302:0
child1 经过第二个 fork 的时候，又创建了 childchild 并返回了它的进程编号， fork2:95302:95304
childchild 经过第一个 fork 的时候，啥反应也没有，所以什么也没打印
childchild 经过第二个 fork 的时候，返回了 0，所以打印了 fork2:95304:0

所以经过上述的代码命令，最终 parent 是产生了 3 个孩子进程（ childchild 进程也是它的孩子进程）

execve() 命令

如果只通过 fork 产生一个进程，那么这个进程的子进程的所有操作都和父进程一模一样；那么这个分身就没有什么意义了，而通过 execve 命令，可以让这个复制出来的进程采用不同的操作。

进程的状态

就绪态
运行态
阻塞态
运行态就是这个程序正在占用 CPU 资源进行操作，
就绪态就是随时可以执行，但没有得到 CPU 的运行资源，等 CPU 资源轮询到他，立马就可以处理任务
阻塞态就是，等待某个事件的发生，比如等待用户的输入，即使这个时候有空闲的 CPU 也不能马上处理，因为他要等待用户输入完成才能解除阻塞状态，进入就绪状态，然后才能进行任务处理。

中断

中断的种类

真正的中断产生于硬件；伪中断产生于 CPU
用户程序可能不经意间产生伪中断（pseudo-interrupts），例如除以0操作，这种事件经常被称作 “exceptions”这些异常会导致一些程序终止
用户可以自发地通过命令产生伪中断（ctrl + c）

线程

线程共享内容

地址空间和内存
代码和数据部分
存储空间内容（全局变量和堆空间（heap））
打开的文件
子进程
信号和信号处理器

线程独有内容

程序计数器
寄存器
栈空间（维护局部变量和函数调用的数据空间）
状态（就绪/等待…）

堆空间 heap：可以暂时认为堆区是一块没有经过分配的内存地址，是和栈区等内存空间分开的，当我们调用方法的和使用局部变量的时候，其实都是在 stack 区进行操作，只有当我们使用 malloc 在 C 语言中申请一块空间的时候才会在堆区操作

进程和线程的比较

可以说线程是轻量化的进程，而且线程可以被调度器直接管理，提高了程序的并发性
进程被创建之后，其实是有一个主线程 main thread 和系统分配的各种资源（代码、数据、文件、寄存器、栈）；这个时候如果不创建其他线程，那么进程就只有一个主线程。
而当进程创建多个线程的时候，随着线程的创建，他们会同时创建自己的栈区、寄存器

线程的好处

创建方便，快速
终止也方便、快速
在不同的线程之间切换很简单
因为一个进程的不同线程之间共享内存，所以线程之间的通信很方便

线程的类别及区别

参考文章：https://www.tutorialspoint.com/user-level-threads-and-kernel-level-threads

user-level thread（用户级别的线程）

用户级线程是由用户实现的，内核不知道这些线程的存在。它像处理单线程进程（single-threaded process）一样处理它们。用户级线程比内核级线程小且快得多。它们由程序计数器(PC)、堆栈、寄存器和一个小的过程控制块(small process control block)组成。另外，在用户级线程的同步中与内核（kernel）无关。

user-level thread 的优点

创建迅速，管理容易（可以通过调度器直接管理）
可以在任何操作系统上运行
在用户级线程中切换线程不需要内核模式特权。

user-level thread 的缺点

用户级线程中的多线程应用程序不能充分利用 multiprocessing
如果一个用户级线程执行阻塞操作，整个进程将被阻塞

kernel-level thread(内核级别的线程)

kernel-level thread 的优点

在内核级线程中，同一个进程的多个线程可以调度在不同的处理器上（multiprocessing）
内核例程也可以是多线程的
当一个线程阻塞了，不影响其他线程的运行

kernel-level thread 的缺点

两个 kernel-level thread 在切换的时候，要转移控制权 transfer control
kernel-level thread 的创建和管理都比 user-level 的要慢（几乎接近于创建和管理一个进程的时间）

最大的好处是，创建和管理方便；最大的缺点是一个阻塞全都阻塞

因为涉及到阻塞行为和 system call，因此要选用 kernel-level thread

竞态条件

https://www.techtarget.com/searchstorage/definition/race-condition#:~:text=A%20race%20condition%20is%20an,sequence%20to%20be%20done%20correctly.

从上面的文字中我们可以得到：
- race condition 可以发生在多个 program（程序） process（进程）或者多个（thread）线程之间，只要他们要在同一时间访问公共的资源就会发生。
在 race condition 的情况下：
- 所有资源的争夺方都可以对资源进行读和写
- 当输出依赖于操作的顺序时，就会出现 race condition
- 非常难 debug，因为很难重复这些资源争夺方的执行顺序

假设现在有两个进程 A,B 来同时进行这个函数的调用，用 A1 表示 A 进程执行到第一行代码，B2 代表 B 进程执行到第二行代码
假设 stack 里面现在还有一个值
case1：A1 -> A2 -> B1 这段程序就会执行完毕，并且 B 的返回值是 0
case2：A1 -> B1 -> A2 -> B2 这段程序就会报错，因为当 B 去 pop 的时候已经没有值 pop 了

Critical region

https://www.educative.io/edpresso/what-is-the-critical-section-problem-in-operating-systems

指进程访问共享资源(如公共变量、文件等)并对其进行"写"操作的代码段
因为读操作哪怕同时进行也不会导致程序出现问题，但是写操作是绝对不能同时进行的。因此要对写操作的代码段进行并发的控制来避免 race condition 的情况

解决 Critical region 的各种问题可以使用的策略

mutual exclusion：当一个进程在处理它的 critical region 的时候，其他的进程不允许访问 critical region
progress：当 critical region 里没有进程在执行，并且有一个进程希望进入临界区时，它不应该无限期地等待进入critical region。
bounded waiting：在另一个进程 A 请求进入 critical region 时，在 A 请求被接受之前，一个进程允许在临界区时执行的次数必须有一个上限。这是为了防止某个进程不断地、密集地获得进入 critical region 的权力，导致其他进程不能得到资源

范例研究

通过下面几个例子分析通过这几种方式是否能够达到解决 critical region 问题的目的。

通过 lock variable 来解决 critical region 的 race condition 问题

假设现在有两个进程 A,B, 用 A1, B1 分别表示两个进程执行到代码段的第 1 行
当 A1->A2->B1->… 的情况，即当 A1,A2 发生在 B1 之前，那么这种情况可以保证 A B 不会发生 critical region 的 race condition 问题，但是如果发生顺序是：
- A1->B1->… 这种情况，则无法避免 A,B 之间的 critical region 中的 race condition 问题

通过 busy waiting 来解决 critical region 的 race condition 问题

这种情况与上一种相比，不再存在同时越过 while 条件的情况，也就是说，一定会有一个线程卡在第二行的 while 处无法访问 critical region；但是这种写法依然存在问题，设想下面的情况：
- A1->B1->A2->B2->A3->B2->A4->B3->A5->B4 -> B5 ->B5 -> B5
- 当 thread A 执行完毕，但是 thread B 依然卡在 B5 很长时间，这个时候，因为 turn = 0，所以 A 会再开始一轮，直到 A 再次执行完 A4, B 还是没有执行完 B5，那么由于 A 在这个循环中的 A4 中将 turn设置 = 1，所以这个时候如果 B 不执行完 B5，A 也将无法再开始下一次循环。
- 所以这种情况下，A,B 都依赖于对方执行的结束，否则自己也无法继续往下执行，因此也没有真正解决 race condition 的问题

busy waiting 的特点和缺点

当一个进程想要进入 critical region 的时候
- 需要 check 是否可以进入
- 如果不能进入，那就不断地执行循环操作（就是上例中的 while 循环），直到能够访问 critical region 为止
缺点：
- 大量消耗 CPU, 其实完全可以用其他方法来代替，比如让 CPU 每隔一段时间来检查一遍
- 优先级倒置问题

https://www.sciencedirect.com/topics/computer-science/priority-inversion#:~:text=Priority%20inversion%20is%20a%20situation,thus%20the%20name%20priority%20inversion).

死锁 deadlock

https://www.geeksforgeeks.org/introduction-of-deadlock-in-operating-system/

何时发生

发生死锁的四个必要条件：
- 两个或多个非共享的资源（非共享的意思就是每种资源一次只能被一个进程访问），
- 一个进程占有了最少一种（非共享的）资源并且在等待另外一个资源（非共享的）
- 某种资源一旦被某个进程占用，就不可被抢占（必须等到这个进程执行完毕才能释放当前资源）
- 多个进程等待其他进程的资源，这个过程形成了环结构

解决死锁

忽略这个问题
通过图算法来检测死锁的发生并进行修复
通过精细的资源分配避免死锁

CPU 密集型 / IO 密集型进程

CPU 密集型的进程就是运行过程中特别消耗CPU资源的进程
IO 密集型的进程就是进程中很长的时间都在阻塞状态，使用 CPU 的机会并不多

进程调度 Process scheduler

https://www.geeksforgeeks.org/cpu-scheduling-in-operating-systems/?ref=lbp

几种重要的时间

到达时间：一个进程到达 ready queue （就绪队列）的时间点；代表这个进程只要获得 CPU 时间就马上可以运行
完成时间：进程完成任务的时间点
触发时间：进程真正使用 cpu 的时间段
周转时间：完成时间点 - 到达时间点（即完成整个进程使用的时间周期，这个过程可能包括了进程等待 CPU 的时间 + CPU 处理这个进程的时间，这两部分共同构成了周转时间）
等待时间：周转时间 - 触发时间

参考：
https://www.geeksforgeeks.org/difference-between-arrival-time-and-burst-time-in-cpu-scheduling/#:~:text=Burst%20Time%20(BT)%20%3A,running%20time%20of%20the%20process.

调度的目标

最大化利用 CPU 资源（让 CPU 尽可能忙）
最大化 CPU 的吞吐量（让 CPU 尽可能在一个时间单位完成更多进程的任务）
最小化周转时间（让一个进程完成从进入就绪队列到自己的任务用的时间尽可能短）
最小化等待时间（让进程等待的时间尽可能短）
最小化响应时间（一个进程产生响应的最小时间）

等待时间和响应时间的区别：

响应时间：就绪状态到获得 CPU 的时间段
等待时间：在整个等待队列中待的时间

计算机系统学习之（1）：基础知识概要——进程、中断、线程、竞态条件、关键区域、死锁、进程调度相关推荐

JAVA基础知识系列---进程、线程安全
1.1 临界区保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便方法,在任意时刻只允许一个线程对资源进行访问.如果有多个线程试图同时访问临界区,那么在有一个线程进入后,其他所有试图访问临界区的线程将被挂起, ...
Nginx学习(一)——Nginx基础知识
目录 1.Nginx学习(一)--Nginx基础知识 2.Nginx学习(二)--配置文件.反向代理与负载均衡 3.Nginx搭建HTTPS服务器一.初试Nginx 一.下载安装 1.安装必要的一些 ...
JNI学习开始篇基础知识数据映射及学习资料收集
JNI学习开始篇基础知识数据映射及学习资料收集 JNI介绍 JNI(Java Native Interface) ,Java本地接口. 用Java去调用其他语言编写的程序,比如C或C++. JNI ...
OpenCV与图像处理学习一——图像基础知识、读入、显示、保存图像、灰度转化、通道分离与合并
OpenCV与图像处理学习一--图像基础知识.读入.显示.保存图像.灰度转化.通道分离与合并一.图像基础知识 1.1 数字图像的概念 1.2 数字图像的应用 1.3 OpenCV介绍二.图像属性 ...
php基础教学笔记,php学习笔记：基础知识
php学习笔记:基础知识 2.每行结尾不允许有多余的空格 3.确保文件的命名和调用大小写一致,是由于类Unix系统上面,对大小写是敏感的 4.方法名只允许由字母组成,下划线是不允许的,首字母要小写,其 ...
计算机网络基础心得体会结尾,学习《计算机网络基础知识》心得体会
学习<计算机网络基础知识>心得体会 ... 如今已经是信息时代,作为主流信息工具的网络越来越重要,网络是信息的载体,是人们传递感情的工具.随着信息社会的不断发展,网络的应用将会更加广泛 ...
计算机学生要学的基础知识,中小学生应注重学习计算机的基础知识
"知识爆炸"和"知识老化"这两大问题,不断困扰着现代教育,人们解决这一问题的良方之一,就是加强学生对基础知识的学习.近年来在中国兴起的中小学生学习计算机热,也同 ...
【学习笔记--FMCW基础知识】
学习笔记--FMCW基础知识前言 mmWave测距原理 mmWave区分多个物体 mmWave的距离分辨率(Range Solution) mmWave的最大测量距离前言由于工作原因需要了解TI ...
使用Vue3学习Vue的基础知识
创建 Vue 应用 vue的安装有多种方式,本文只讨论基础知识,其他安装方式请自行查阅官网 https://v3.cn.vuejs.org/guide/installation.html 本文使用CD ...

计算机系统学习之（1）：基础知识概要——进程、中断、线程、竞态条件、关键区域、死锁、进程调度