进程线程及其状态

进程线程及其状态

进程

进程的概念

• 进程就是执行中的程序。

进程的状态

进程有五种状态，分别是：

• 新建：进程正在被创建
• 运行：进程正在被执行
• 阻塞：进程等待某个事件（如I/O操作）
• 就绪：进程等待分配处理器
• 终止：进程完成执行

进程调度流程图

线程

线程的概念

• 线程是程序执行流的最小单元，线程早期也有轻量级进程之称。一个进程中可能包含多个线程。一个进程至少包含一个线程，否则没有存在的意义。多线程里不宜再创建子进程。在系统内核层面，进程与线程并无本质的不同。进程与线程最大的不同点是资源分配。

线程与进程的比较

• 线程与进程都可以实现多任务。
• 线程是CPU调度的基本单元，进程是系统资源分配的基本单元。
• windows下进程线程是泾渭分明，区别明显的。在Linux中它们有很多共同特性。
• 在早期Linux的内核结构中：进程和线程的区别只是创建子进程和子线程时，是否设置为共享内存，二者在内核中的存储结构并无区别，系统调度的单位也是轻量级进程。2.6以后的Linux内核版本才将线程和进程完全独立开来。
• 线程的状态改变只代表了CPU执行过程的改变，线程操作的资源仍然是进程的。除了 CPU外，计算机内的软硬件资源的分配都是以进程为单位的。进程拥有一个完整的虚拟地址空间，不依赖于线程而独立存在，而线程只是进程的一部分，与进程内的其他线程一起共享分配给该进程的所有资源。

线程的状态

• 同进程的实现原理类似，线程也可主要概括为五种状态（实际上Linux将线程状态细分为十几种）：
  • 新建，由于不需要进行必要的内存复制等工作，新建线程要比新建进程更快。
  • 就绪
  • 运行
  • 阻塞
  • 死亡，线程死亡后，也需要回收处理。
• 调度的过程参考进程。

线程的内核调度

• 多线程编程具有响应度高、资源共享、经济和多处理器体系结构的利用四个优点。用户线程是映射到内核线程池进行CPU调度的，映射关系模型包含有：

  • 多对一
  • 一对一
  • 多对多

内核调度图

• 这里为什么没有一对多？因为线程是CPU资源调度的最小单位，即：单线程在一个时间点上只能利用到一个核心（进行一个原子操作），一个原子操作不能再分开由不同核心执行。而多核CPU在执行单线程任务时，可能会切换多个核心轮流来执行这个任务（每个原子操作的CPU核心可能并不相同），例如在执行循环时，这次循环和下次循环可能并不是同一个核心来执行的（这跟你的系统有关，但可以看到单线程最多只能占用到 (1/CPU核心数) 的CPU资源（超线程CPU占用1/（CPU线程数））。
• 而资源上，多线程调用同一资源时，X86架构可能会使用总线锁，对该资源进行锁定，保证原子操作执行完整不被打断。当操作完成时，会解锁并通知其他线程，我操作完了，你们可以来操作了（实际上，此方法效率很低，仅作为最后一道保险）。
• 因此确定一个操作是原子操作时，没有必要浪费外围昂贵的开销再来给他加锁，原子操作本身就是一道互斥锁。互斥锁的目的，也正是将一系列操作变为原子操作。

进程的诞生与消亡

• 进程的诞生
  • （1）fork函数：子进程拷贝父进程的数据（具体实现是读时共享，写时复制）
  • （2）vfork函数：子进程与父进程共享数据
  • vfork是一个过时的函数，虽然与fork相比有那么一点性能优势，但其带来一连串的坑并不那么好填，不建议使用，除非你对性能追求到极致。
• 进程的消亡
  • 正常结束和异常终止；
  • 进程结束时的资源问题回收：linux系统设计时规定：每个进程结束时，系统会自动回收open但没有close的文件资源，malloc但没有free的资源等，但并不会回收进程本身占用的资源（即进程的尸体，主要包括进程本身的文件描述符对应的资源（task_struct结构体）和进程的栈空间），这需要由进程的父进程来完成回收（收尸）。
• 僵尸进程
  • 在子进程消亡后，如果父进程没有结束，而且也不回收已结束的子进程（收尸），已经结束的子进程，就变成了僵尸进程。
  • 父进程可以使用wait或waitpid，显式地回收子进程（剩余待回收）的内存资源并且获取子进程退出状态。
  • 父进程结束时也会自动回收僵尸进程，但应避免这种不严谨的方式。
• 孤儿进程
  • 子进程还在执行，而父进程先结束了，子进程就成为了孤儿进程，托管到系统了。
  • 此时子进程的父进程变为了系统的init进程（该进程PID为1），init进程会在孤儿进程结束后自动回收孤儿进程的资源。
• 进程回收
  • 可以使用wait或waitpid，阻塞回收进程资源，阻塞回收具有明显的劣势，会导致阻塞的父进程不能干别的事情了。
  • Linux生产中更多的是采用信号机制，父进程注册信号，收到SIGCHLD信号才调用回收函数回收子进程资源，这样就不会导致父进程阻塞了。

线程的诞生与消亡

• 线程标识（线程ID）

  • 进程ID在整个系统中是唯一的。
  • 线程ID（pthread_t类型）只在它所属的进程中有效。
  • pthread_t（Linux中为unsigned int类型，OS中为结构体指针，Windows中为handle句柄）用于声明线程ID。
  • 函数：pthread_self取得自身线程ID。

• 创建线程

  • 使用函数pthread_create，线程创建后，就开始运行相关的线程函数。

• 退出线程。

  • 线程执行完毕。可以return，不能exit（exit是退出进程）。
  • 使用函数pthread_exit，主动退出线程。主线程使用该函数时，进程并不会结束，而是等待其他线程结束。
  • 进程结束时，线程也结束（线程依赖于其所在的进程）。

• 线程回收

  • 由于线程使用的资源是属于进程的，退出线程而进程仍然运行时资源并未完全释放，形成僵尸线程。
  • pthread_join(tid)函数类似wait/waitpid函数，用于阻塞等待线程tid结束，调用它的线程一直等待到tid线程结束时，tid线程资源就被回收。
  • pthread_detach(tid)函数线程分离，让系统自动回收tid线程。
  • 设置线程属性进行回收。可按以下步骤回收:
    • pthread_attr_t attr;//线程创建前，定义线程属性
    • pthread_attr_init(&attr);//进行初始化线程属性
    • pthread_attr_getdetachsate(&attr,&status);//获取分离状态
    • pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);//设置线程分离状态.
    • pthread_create(&tid, &attr,func,NULL);//创建线程
    • pthread_attr_destroy(&attr);//线程结束时，调用回收函数
  • 线程回收代码示例:

  void * func(void *p)
  {
  	printf("我是子线程
  ");
  }
  int main(int argc, char *argv[])
  {
  	pthread_attr_t attr; //定义一个变量
  	pthread_t tid;
  	pthread_attr_init(&attr);//初始化
  	pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);//设置分离
  	pthread_create(&tid, &attr, func, NULL);//创建线程
  	sleep(1);//等1秒让子线程执行完
  	pthread_attr_destroy(&attr);//释放
  	return 0;
  }