前言

歡迎來(lái)到操作系統(tǒng)系列，依然采用圖解 + 大白話的形式來(lái)講解，讓小白也能看懂，幫助大家快速科普入門(mén)

本篇開(kāi)始介紹進(jìn)程、線程、協(xié)程，相信很多小白們對(duì)這幾個(gè)概念理解的不清晰，這里全部給你們安排的明明白白，我們開(kāi)始進(jìn)入正文吧

內(nèi)容大綱

小故事

小明（操作系統(tǒng)）創(chuàng)辦了一家互聯(lián)網(wǎng)小公司，因?yàn)闇?zhǔn)備同時(shí)開(kāi)發(fā)A與B兩個(gè)軟件，所以小明請(qǐng)了兩個(gè)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)做這件事情，分別是小王開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)與小李開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，可是公司特別小，只有一個(gè)房間（C P U），而且房間（C P U）只能容納一個(gè)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，為了能兩個(gè)軟件開(kāi)發(fā)不被耽誤，小明（操作系統(tǒng)）決定，上午小王團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，下午小李團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)（這個(gè)過(guò)程稱為調(diào)度）。

小李（進(jìn)程）與小王（進(jìn)程）身為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，他們要操心的事情比較多，需要對(duì)軟件進(jìn)行分析整理，做架構(gòu)設(shè)計(jì)，最后再把任務(wù)細(xì)化分配給團(tuán)隊(duì)的每個(gè)開(kāi)發(fā)人員（線程），在團(tuán)隊(duì)交換房間的時(shí)候，還需要把整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)度記錄下來(lái)，方便下次接著開(kāi)發(fā)，相比開(kāi)發(fā)人員就輕松多了，每個(gè)人只負(fù)責(zé)一小塊，需要記錄的也只有一小塊。

通過(guò)這個(gè)小故事，大伙也看出來(lái)了，一個(gè)進(jìn)程管理著多個(gè)線程，就像團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人（進(jìn)程）管理著多個(gè)開(kāi)發(fā)人員（線程）一樣。

進(jìn)程

什么是進(jìn)程

你打開(kāi)網(wǎng)易云音樂(lè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程 ，你打開(kāi)QQ會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程 ，你電腦上運(yùn)行的程序都是進(jìn)程 ，進(jìn)程就是這么簡(jiǎn)單暴力。

現(xiàn)在我們思考一個(gè)問(wèn)題，有一個(gè)進(jìn)程讀取硬盤(pán)里的文件，這個(gè)文件特別大，需要讀取很長(zhǎng)時(shí)間，如果 C P U 一直傻傻的等硬盤(pán)返回?cái)?shù)據(jù)，那 C P U 的利用率是非常低的。

就像燒開(kāi)水，你會(huì)傻傻等水燒開(kāi)嗎？很明顯，這段時(shí)間完全可以去做其他的事情（比如玩玩賽博朋克2077），水燒開(kāi)了再過(guò)來(lái)把水倒入水杯中，這樣不香嗎？

C P U 也是一樣，它發(fā)現(xiàn) 進(jìn)程 在讀取硬盤(pán)文件，不需要阻塞等待硬盤(pán)返回?cái)?shù)據(jù)，直接去執(zhí)行其他進(jìn)程 ，當(dāng)硬盤(pán)返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，C P U 會(huì)收到 中斷 的信號(hào)，于是 C P U 再回到之前的 進(jìn)程 繼續(xù)運(yùn)行

這種多程序 交替執(zhí)行 的方式，就是 C P U 管理多進(jìn)程初步思想。

可能會(huì)有人問(wèn)了， 交替執(zhí)行會(huì)不會(huì)很慢，這個(gè)不用擔(dān)心，因?yàn)?C P U 的執(zhí)行速度與切換速度非常的快，可能就是幾十或幾百毫秒，超出了人類的感知，一秒鐘內(nèi)可能就交替運(yùn)行了多個(gè)進(jìn)程，所以給我們產(chǎn)生 并行 的錯(cuò)覺(jué)，其實(shí)這叫并發(fā)。

單核 多進(jìn)程交替執(zhí)行 就是并發(fā)，多進(jìn)程在多核運(yùn)行就是并行。

進(jìn)程的控制結(jié)構(gòu)

創(chuàng)造任何東西的時(shí)候，都要先有形，才有物，你造房子、造汽車(chē)或造其他東西，都要有設(shè)計(jì)圖（結(jié)構(gòu)），再根據(jù)設(shè)計(jì)圖來(lái)創(chuàng)造， 進(jìn)程也不例外，它也有屬于自己的設(shè)計(jì)圖，那就是 進(jìn)程控制塊（process control block，PCB），后面就簡(jiǎn)稱 P C B 好了

P C B的結(jié)構(gòu)信息

P C B是 進(jìn)程 存在的唯一標(biāo)識(shí)，這意味一個(gè) 進(jìn)程 一定會(huì)有對(duì)應(yīng)的PCB，進(jìn)程消失，P C B也會(huì)隨之消失

• 進(jìn)程描述信息
• 進(jìn)程唯一的標(biāo)記符，類似唯一id
• 用戶標(biāo)識(shí)符，進(jìn)程歸屬的用戶，用戶標(biāo)識(shí)符主要為共享和保護(hù)服務(wù)
• 進(jìn)程控制和管理信息
• 進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)，比如運(yùn)行、就緒、阻塞等，作為處理機(jī)分配調(diào)度的依據(jù)
• 進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，描述進(jìn)程搶占處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程可以優(yōu)先獲得處理機(jī)
• 資源分配清單
• 用于說(shuō)明有關(guān)內(nèi)存地址空間或虛擬地址空間的狀況，所打開(kāi)文件的列表和所使用的輸入/輸出設(shè)備信息
• CPU 相關(guān)信息
• 指 C P U 中各寄存器值，當(dāng)進(jìn)程被切換時(shí)，C P U狀態(tài)信息都必須保存在相應(yīng)的 P C B 中，以便進(jìn)程重新執(zhí)行時(shí)，能再?gòu)臄帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

P C B組成的隊(duì)列

P C B通過(guò)鏈表的方式進(jìn)行組織，把具有相同狀態(tài)的進(jìn)程鏈在一起，組成各種隊(duì)列

• 將所有處于就緒狀態(tài)的 進(jìn)程 鏈在一起，稱為就緒隊(duì)列

• 把所有因等待某事件而處于等待狀態(tài)的 進(jìn)程 鏈在一起就組成各種阻塞隊(duì)列

進(jìn)程的狀態(tài)

通過(guò)觀察，我們發(fā)現(xiàn)進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程遵循這樣的 運(yùn)行-暫停-運(yùn)行 規(guī)律，雖然看起來(lái)十分簡(jiǎn)單，但是它的背后涉及到了進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

進(jìn)程三態(tài)

進(jìn)程的執(zhí)行期間，至少具備三種基本狀態(tài)，即運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)。

上圖狀態(tài)的意義

• 運(yùn)行態(tài)（Runing）：時(shí)刻進(jìn)程占用 C P U
• 就緒態(tài)（Ready）：可運(yùn)行，但因?yàn)槠渌M(jìn)程正在運(yùn)行而暫停停止
• 阻塞狀態(tài)（Blocked）：該進(jìn)程等待某個(gè)事件（比如IO讀取）停止運(yùn)行，這時(shí)，即使給它CPU控制權(quán)，它也無(wú)法運(yùn)行

上圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程

1. C P U  調(diào)度緒態(tài)進(jìn)程執(zhí)行，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，時(shí)間片使用完了，回到就緒態(tài)，等待 C P U 調(diào)度
2. C P U  調(diào)度緒態(tài)進(jìn)程執(zhí)行，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行IO請(qǐng)求，進(jìn)入阻塞態(tài)，IO請(qǐng)求完成，CPU收到 中斷 信號(hào)，進(jìn)入就緒態(tài)，等待 C P U 調(diào)度

進(jìn)程五態(tài)

在三態(tài)基礎(chǔ)上，做一次細(xì)化，出現(xiàn)了另外兩個(gè)基本狀態(tài)，創(chuàng)建態(tài)和結(jié)束態(tài)。

上圖狀態(tài)的意義

• 創(chuàng)建態(tài)（new）：進(jìn)程正在被創(chuàng)建
• 就緒態(tài)（Ready）：可運(yùn)行，但因?yàn)槠渌M(jìn)程正在運(yùn)行而暫停停止
• 運(yùn)行態(tài)（Runing）：時(shí)刻進(jìn)程占用 C P U
• 結(jié)束態(tài)（Exit）：進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失時(shí)的狀態(tài)
• 阻塞狀態(tài)（Blocked）：該進(jìn)程等待某個(gè)事件（比如IO讀取）停止運(yùn)行，這時(shí)，即使給它CPU控制權(quán)，它也無(wú)法運(yùn)行

狀態(tài)的變遷

• NULL => 創(chuàng)建態(tài)（new）：一個(gè)新進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)的第一個(gè)狀態(tài)
• 創(chuàng)建態(tài)（new） => 就緒態(tài)（Ready）：當(dāng)進(jìn)程創(chuàng)建完成，進(jìn)入就緒態(tài)
• 就緒態(tài)（Ready）=>  運(yùn)行態(tài)（Runing）：C P U 從就緒隊(duì)列選擇進(jìn)程執(zhí)行，進(jìn)入運(yùn)行態(tài)
• 運(yùn)行態(tài)（Runing）=> 結(jié)束態(tài)（Exit）：當(dāng)進(jìn)程已經(jīng)運(yùn)行完成或出錯(cuò)時(shí)，進(jìn)入結(jié)束狀
• 運(yùn)行態(tài)（Runing） => 就緒態(tài)（Ready）：分配給進(jìn)程的時(shí)間片使用完，進(jìn)入就緒態(tài)
• 運(yùn)行態(tài)（Runing） => 阻塞狀態(tài)（Blocked）：進(jìn)程執(zhí)行等待事件，進(jìn)入阻塞態(tài)
• 阻塞狀態(tài)（Blocked） => 就緒態(tài)（Ready）：進(jìn)程事件完成，C P U 收到 中斷 信號(hào) ，進(jìn)入就緒態(tài)

進(jìn)程七態(tài)

其實(shí)進(jìn)程還有一種狀態(tài)叫掛起態(tài)，掛起態(tài)代表該進(jìn)程不會(huì)占用內(nèi)存空間，它會(huì)被換出到硬盤(pán)空間保存，當(dāng)需要使用它的時(shí)候，會(huì)被換入，加載到內(nèi)存，掛起態(tài)可以分為下面兩種

• 阻塞掛起狀態(tài)：進(jìn)程在外存（硬盤(pán)）并等待某個(gè)事件的出現(xiàn)
• 就緒掛起狀態(tài)：進(jìn)程在外存（硬盤(pán)），但只要進(jìn)入內(nèi)存，即刻立刻運(yùn)行

結(jié)合上述的兩種掛起態(tài)，就組成了進(jìn)程七態(tài)

從上圖我們發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)，阻塞掛起態(tài)、阻塞態(tài)都可以轉(zhuǎn)入掛起態(tài)，這時(shí)問(wèn)題就產(chǎn)生了，什么情況會(huì)轉(zhuǎn)入 掛起態(tài) ，什么情況又會(huì)從 掛起態(tài) 轉(zhuǎn)入到 非掛起態(tài)（就緒態(tài)與阻塞態(tài)）， 操作系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求、進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行掛起與激活操作，沒(méi)有固定的說(shuō)法。

進(jìn)程的上下文切換

C P U把一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的過(guò)程，稱為進(jìn)程上下文切換。

在說(shuō)進(jìn)程上下文切換之前，先來(lái)聊聊 C P U 上下文切換

C P U上下文 是指 C P U 寄存器 和 程序計(jì)數(shù)器

• C P U 寄存器 是 C P U 內(nèi)置的容量小，速度極快的緩存
• 程序計(jì)數(shù)器是用來(lái)存儲(chǔ) 是 C P U 正在執(zhí)行的指令位置或即將執(zhí)行的下一條指令位置

C P U 上下文切換 就很好理解了，就是把前一個(gè)任務(wù)的 C P U上下文  保存起來(lái)，然后在加載當(dāng)前任務(wù)的 C P U上下文，最后再跳轉(zhuǎn)到 程序計(jì)數(shù)器 所指的新位置，運(yùn)行任務(wù)。

上面說(shuō)到所謂的「任務(wù)」，主要包含進(jìn)程、線程和中斷。所以，可以根據(jù)任務(wù)的不同，把 CPU 上下文切換分成：進(jìn)程上下文切換、線程上下文切換和中斷上下文切換。

進(jìn)程的上下文是怎么切換的

首先進(jìn)程是由內(nèi)核管理與調(diào)度的，所以 進(jìn)程上下文切換 發(fā)生在內(nèi)核態(tài)，進(jìn)程上下文切換的內(nèi)容包含用戶空間資源（虛擬內(nèi)存、棧、全局變量等）與內(nèi)核空間資源（內(nèi)核堆棧、寄存器等）。

在做上下文切換的時(shí)候，會(huì)把前一個(gè) 進(jìn)程 的上下文保存到它的 P C B 中，然后加載當(dāng)前 進(jìn)程 的 P C B 上下文到 C P U 中，使得 進(jìn)程 繼續(xù)執(zhí)行

發(fā)生進(jìn)程上下文切換的場(chǎng)景

• 為了保證所有進(jìn)程可以得到公平調(diào)度，CPU 時(shí)間被劃分為一段段的時(shí)間片，這些時(shí)間片再被輪流分配給各個(gè)進(jìn)程。這樣，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片耗盡了，切換到其它正在等待 CPU 的進(jìn)程運(yùn)行
• 進(jìn)程在系統(tǒng)資源不足（比如內(nèi)存不足）時(shí)，要等到資源滿足后才可以運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程也會(huì)被掛起，并由系統(tǒng)調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行。
• 當(dāng)進(jìn)程通過(guò)睡眠函數(shù) sleep 這樣的方法將自己主動(dòng)掛起時(shí)，自然也會(huì)重新調(diào)度。
• 當(dāng)有優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，為了保證高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程的運(yùn)行，當(dāng)前進(jìn)程會(huì)被掛起，由高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行
• 發(fā)生硬件中斷時(shí)，CPU 上的進(jìn)程會(huì)被中斷掛起，轉(zhuǎn)而執(zhí)行內(nèi)核中的中斷服務(wù)程序。

線程

什么是線程

在早期操作系統(tǒng)都是以 進(jìn)程 為獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，直到后面，計(jì)算機(jī)科學(xué)家又提出了更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，它就是線程。

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)，進(jìn)程是最小的資源分配單位，線程是最小的運(yùn)行單位，一個(gè)進(jìn)程下面能有一個(gè)或多個(gè)線程，每個(gè)線程都有獨(dú)立一套的寄存器和棧，這樣可以確保線程的控制流是相對(duì)獨(dú)立的。

線程帶來(lái)的好處有以下幾點(diǎn)

• 一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)存在多個(gè)線程
• 讓進(jìn)程具備多任務(wù)并行處理能力
• 同進(jìn)程下的各個(gè)線程之間可以共享進(jìn)程資源 （同進(jìn)程內(nèi)的多線程通信十分簡(jiǎn)單高效）
• 更輕量與高效

線程帶來(lái)的壞處有以下幾點(diǎn)

• 因?yàn)檫M(jìn)程資源共享，所以會(huì)產(chǎn)生資源競(jìng)爭(zhēng)，需要通過(guò)鎖機(jī)制來(lái)協(xié)同
• 當(dāng)進(jìn)程中的一個(gè)線程奔潰時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其所屬進(jìn)程的所有線程奔潰（一般游戲的用戶設(shè)計(jì)不會(huì)采用多線程方式）

線程與進(jìn)程的對(duì)比

• 進(jìn)程是最小的資源（包括內(nèi)存、打開(kāi)的文件等）分配單位，線程是最小的運(yùn)行單位
• 進(jìn)程擁有一個(gè)完整的資源平臺(tái)，而線程只獨(dú)享必不可少的資源，如寄存器和棧
• 線程同樣具有就緒、阻塞、執(zhí)行三種基本狀態(tài)，同樣具有狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系（和進(jìn)程大同小異）
• 線程的創(chuàng)建、終止時(shí)間比進(jìn)程快，因?yàn)檫M(jìn)程在創(chuàng)建的過(guò)程中，還需要資源管理信息，比如內(nèi)存管理信息、文件管理信息，所以線程在創(chuàng)建的過(guò)程中，不會(huì)涉及這些資源管理信息，而是共享它們（線程管理的資源較少）
• 同一個(gè)進(jìn)程內(nèi)的線程切換比進(jìn)程切換快，因?yàn)榫€程具有相同的地址空間（虛擬內(nèi)存共享），這意味著同一個(gè)進(jìn)程的線程都具有同一個(gè)頁(yè)表，那么在切換的時(shí)候不需要切換頁(yè)表。而對(duì)于進(jìn)程之間的切換，切換的時(shí)候要把頁(yè)表給切換掉，而頁(yè)表的切換過(guò)程開(kāi)銷是比較大的
• 由于同一進(jìn)程的各線程間共享內(nèi)存和文件資源，那么在線程之間數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)候，就不需要經(jīng)過(guò)內(nèi)核了，這就使得線程之間的數(shù)據(jù)交互效率更高了

線程比進(jìn)程不管是時(shí)間效率，還是空間效率都要高

線程的上下文切換

當(dāng)進(jìn)程只有一個(gè)線程時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)程等于線程，線程上下文的切換分兩種情況

1. 不同進(jìn)程的線程，切換的過(guò)程就跟進(jìn)程上下文切換一樣
2. 兩個(gè)線程是屬于同一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)

所以線程的上下文切換相比進(jìn)程，開(kāi)銷要小很多

線程的模型

在說(shuō)線程模式之前，先介紹3個(gè)概念

• 內(nèi)核線程：在內(nèi)核空間就實(shí)現(xiàn)的線程，由內(nèi)核管理
• 用戶線程：在用戶空間實(shí)現(xiàn)的線程，不歸內(nèi)核管理，是由用戶態(tài)通過(guò)線程庫(kù)完成線程的管理（用戶態(tài)是指線程或進(jìn)程在用戶空間運(yùn)行）
• 輕量級(jí)進(jìn)程：在內(nèi)核中來(lái)支持用戶線程（用戶線程與內(nèi)核線程的中間層，內(nèi)核線程的高度抽象）

內(nèi)核線程

因?yàn)閮?nèi)核線程是由內(nèi)核空間管理，所以它的 結(jié)構(gòu)線程控制塊（Thread Control Block, TCB）  在內(nèi)核空間，操作系統(tǒng)對(duì) T C B 是可見(jiàn)的

內(nèi)核線程

內(nèi)核線程有什么優(yōu)點(diǎn)

• 內(nèi)核線程的由內(nèi)核空間管理，線程的創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度等，都不用你操心，全自動(dòng)化，屬于智能型
• 內(nèi)核線程能利用cpu多核的特性，實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行（因?yàn)橛蓛?nèi)核管理，非常智能）
• 內(nèi)核線程阻塞，不會(huì)影響其他內(nèi)核線程（因?yàn)橛蓛?nèi)核管理，非常智能）

內(nèi)核線程有什么缺點(diǎn)

• 因?yàn)槭莾?nèi)核管理，所以內(nèi)核線程的大部分操作都涉及到內(nèi)核態(tài)，即需要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，開(kāi)銷較大
• 因?yàn)閮?nèi)核資源有限，所以無(wú)法大量創(chuàng)建內(nèi)核線程

用戶線程

因?yàn)?span style="color: Blue;"> 用戶線程 在用戶空間，是由 用戶態(tài) 通過(guò)線程庫(kù)來(lái)管理，所以它的 結(jié)構(gòu)線程控制塊（Thread Control Block, TCB） 也是在線程庫(kù)里面，對(duì)于操作系統(tǒng)而言是看不到 T C B 的，它只能看到整個(gè)進(jìn)程的 P C B（內(nèi)核無(wú)法管理用戶線程，也感知不到用戶線程）

用戶線程有什么優(yōu)點(diǎn)

• 因?yàn)橛脩艟€程創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度等都不走內(nèi)核態(tài)，直接在用戶態(tài)進(jìn)行操作，所以速度特別快
• 不依賴內(nèi)核，可用于不支持線程技術(shù)的操作系統(tǒng)
• 可以大量創(chuàng)建用戶線程，不消耗內(nèi)核資源

用戶線程有什么缺點(diǎn)

• 用戶線程創(chuàng)建、銷毀、調(diào)度等需要自己實(shí)現(xiàn)相應(yīng)線程庫(kù)
• 用戶線程阻塞會(huì)導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程內(nèi)的其他用戶線程阻塞（整個(gè)進(jìn)程阻塞），因?yàn)閮?nèi)核感知不到用戶線程，所以無(wú)法去調(diào)度其他用戶線程
• 無(wú)法利用cpu多核特性，還是因?yàn)閮?nèi)核感知不到用戶線程

輕量級(jí)進(jìn)程（Light-weight process，LWP）

輕量級(jí)進(jìn)程（Light-weight process，LWP）可以理解成內(nèi)核線程的高級(jí)抽象，一個(gè) 進(jìn)程 可以有一個(gè)或多個(gè)L W P ，因?yàn)槊總€(gè) L W P 與 內(nèi)核線程 一對(duì)一映射，所以 L W P 都是由一個(gè) 內(nèi)核線程 支持（用戶線程關(guān)聯(lián)L W P，即成為內(nèi)核支持的用戶線程）。

在大多數(shù)系統(tǒng)中，L W P與 普通進(jìn)程 的區(qū)別也在于它只有一個(gè)最小的執(zhí)行上下文和調(diào)度程序所需的統(tǒng)計(jì)信息。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)進(jìn)程 代表程序的一個(gè)實(shí)例，而 L W P 代表程序的執(zhí)行線程，因?yàn)橐粋€(gè) 執(zhí)行線程 不像進(jìn)程那樣需要那么多狀態(tài)信息，所以 L W P 也不帶有這樣的信息。

一對(duì)一模型（內(nèi)核級(jí)線程模型）

L W P就是一對(duì)一模型，即 進(jìn)程 只需要?jiǎng)?chuàng)建使用L W P ，因?yàn)橐粋€(gè) L W P 由一個(gè) 內(nèi)核線 程支持，所以最終是內(nèi)核管理線程，可以調(diào)度到其他處理器上（再簡(jiǎn)單點(diǎn)解釋，直接使用內(nèi)核線程）

一對(duì)一模型（1:1）的優(yōu)缺點(diǎn)就不多說(shuō)了，上面介紹內(nèi)核線程的時(shí)候已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，但是值得一提的是，jvm采用該模型實(shí)現(xiàn)線程，所以在Java中啟動(dòng)一個(gè)線程需要謹(jǐn)慎

一對(duì)多模型（用戶級(jí)線程模型）

一對(duì)多模型，即多個(gè)用 戶級(jí)線程 對(duì)用到同一個(gè) L W P 上實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槭怯脩魬B(tài)通過(guò)用戶空間的線程庫(kù)對(duì)線程管理，所以速度特別快，不會(huì)涉及到用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的轉(zhuǎn)換

一對(duì)多模型（n:1）的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)體現(xiàn)在用戶級(jí)線程上面，用戶線程的優(yōu)缺點(diǎn)前面說(shuō)過(guò)，這里不做概述，值得一提的是 Python 中的協(xié)程就是通過(guò)該模型實(shí)現(xiàn)。

多對(duì)多模型（兩級(jí)線程模型）

多對(duì)多模型是集各家所長(zhǎng)誕生的產(chǎn)物，它充分吸收前兩種線程模型的優(yōu)點(diǎn)且盡量避免它們的缺點(diǎn)。

首先它區(qū)別于多對(duì)一模型，多對(duì)多模型進(jìn)程內(nèi)的 多用戶線程 可以綁定不同的內(nèi)核線程 ，這點(diǎn)與 一對(duì)一模型 類似，其次又區(qū)別于一對(duì)一模型，進(jìn)程內(nèi)的 多用戶線程 與 內(nèi)核線程 不是一對(duì)一綁定，而是動(dòng)態(tài)綁定，當(dāng)某個(gè) 內(nèi)核線程 因綁定的 用戶線程 執(zhí)行阻塞操作，讓出 C P U 時(shí)，綁定該 內(nèi)核線程 的其他 用戶線程 可以解綁，重新綁定到其他 內(nèi)核線程 繼續(xù)運(yùn)行。

所以多對(duì)多模型（m:n），即不是多對(duì)一模型完全靠自己實(shí)現(xiàn)的線程庫(kù)調(diào)度，也不是一對(duì)一模型完全靠操作系統(tǒng)調(diào)度，而是一個(gè)中間態(tài)系統(tǒng)（負(fù)責(zé)自身調(diào)度與操作系統(tǒng)調(diào)度的協(xié)同工作），最后提一句Go語(yǔ)言使用的是多對(duì)多模型，這也是其高并發(fā)的原因，它的線程模型與Java中的ForkJoinPool非常類似。

多對(duì)多模型優(yōu)點(diǎn)

• 兼具多對(duì)一模型的輕量
• 由于對(duì)應(yīng)了多個(gè)內(nèi)核線程，則一個(gè)用戶線程阻塞時(shí)，其他用戶線程仍然可以執(zhí)行
• 由于對(duì)應(yīng)了多個(gè)內(nèi)核線程，則可以實(shí)現(xiàn)較完整的調(diào)度、優(yōu)先級(jí)等；

多對(duì)多模型缺點(diǎn)

• 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜（因?yàn)檫@種模型的高度復(fù)雜性，操作系統(tǒng)內(nèi)核開(kāi)發(fā)者一般不會(huì)使用，所以更多時(shí)候是作為第三方庫(kù)的形式出現(xiàn)）

調(diào)度

調(diào)度原則

CPU 利用率

• 運(yùn)行程序發(fā)生了I/O 事件的請(qǐng)求，因此阻塞，導(dǎo)致進(jìn)程在等待硬盤(pán)的數(shù)據(jù)返回。這樣的過(guò)程，勢(shì)必會(huì)造成 C P U 突然的空閑。所以為了提高 C P U 利用率，發(fā)生等待事件使 C P U 空閑的情況下，調(diào)度程序需要從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程來(lái)運(yùn)行。（PS：調(diào)度程序應(yīng)確保 C P U 一直保持匆忙的狀態(tài)，可提高 C P U 的利用率）

系統(tǒng)吞吐量

• 程序執(zhí)行某個(gè)任務(wù)花費(fèi)的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，如果這個(gè)程序一直占用著 C P U，會(huì)造成系統(tǒng)吞吐量的降低。所以要提高系統(tǒng)的吞吐率，調(diào)度程序要權(quán)衡長(zhǎng)任務(wù)和短任務(wù)進(jìn)程的運(yùn)行完成數(shù)量。（吞吐量表示的是單位時(shí)間內(nèi) C P U 完成進(jìn)程的數(shù)量，長(zhǎng)作業(yè)的進(jìn)程會(huì)占用較長(zhǎng)的 C P U 資源，因此會(huì)降低吞吐量，相反，短作業(yè)的進(jìn)程會(huì)提升系統(tǒng)吞吐量）

周轉(zhuǎn)時(shí)間

• 從進(jìn)程開(kāi)始到結(jié)束的過(guò)程中，實(shí)際上是包含兩個(gè)時(shí)間，分別是進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間和進(jìn)程等待時(shí)間，這兩個(gè)時(shí)間總和就稱為周轉(zhuǎn)時(shí)間。進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間越小越好，如果進(jìn)程的等待時(shí)間很長(zhǎng)，而運(yùn)行時(shí)間很短，那周轉(zhuǎn)時(shí)間就很長(zhǎng)，調(diào)度程序應(yīng)該避免這種情況發(fā)生。（周轉(zhuǎn)時(shí)間是進(jìn)程運(yùn)行和阻塞時(shí)間總和，一個(gè)進(jìn)程的周轉(zhuǎn)時(shí)間越小越好）

等待時(shí)間

• 處于就緒隊(duì)列的進(jìn)程，也不能等太久，希望這個(gè)等待的時(shí)間越短越好，因?yàn)榭梢允惯M(jìn)程更快的在 C P U 中執(zhí)行。所以就緒隊(duì)列中，進(jìn)程的等待時(shí)間，也是調(diào)度程序所需要考慮的原則（這個(gè)等待時(shí)間不是阻塞狀態(tài)的時(shí)間，而是進(jìn)程處于就緒隊(duì)列的時(shí)間，等待時(shí)間越長(zhǎng)，用戶越不滿意）。

響應(yīng)時(shí)間

• 對(duì)于鼠標(biāo)、鍵盤(pán)這種交互式比較強(qiáng)的應(yīng)用，我們當(dāng)然希望它的響應(yīng)時(shí)間越快越好，否則就會(huì)影響用戶體驗(yàn)了。所以，對(duì)于交互式比較強(qiáng)的應(yīng)用，響應(yīng)時(shí)間也是調(diào)度程序需要考慮的原則（ 用戶提交請(qǐng)求到系統(tǒng)第一次產(chǎn)生響應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間，在交互式系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間是衡量調(diào)度算法好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)）。

總之就是 要快！

調(diào)度算法

不同的算法適用不同的場(chǎng)景，下面介紹幾個(gè)單核中常見(jiàn)的調(diào)度算法

先來(lái)先服務(wù)算法（First Come First Severd, FCFS）

先來(lái)先服務(wù)算法簡(jiǎn)稱 F C F S，顧名思義，誰(shuí)先來(lái)，誰(shuí)先被 C P U 執(zhí)行，后到的就乖乖排隊(duì)等待，十分簡(jiǎn)單的算法，C P U每次調(diào)度 就緒隊(duì)列 的第一個(gè)進(jìn)程，直到進(jìn)程退出或阻塞，才會(huì)把該進(jìn)程入隊(duì)到隊(duì)尾，然后接著繼續(xù)調(diào)度第一個(gè)進(jìn)程，依此類推。

F C F S算法看似很公平，但是當(dāng)一個(gè)長(zhǎng)作業(yè)先運(yùn)行了，后面的短作業(yè)等待的時(shí)間就會(huì)很長(zhǎng)，所以不利于短作業(yè)，會(huì)降低系統(tǒng)吞吐量。

F C F S對(duì)長(zhǎng)作業(yè)有利，適用于 C P U 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)，而不適用于 I/O 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)。

最短作業(yè)優(yōu)先算法（Shortest Job First, SJF）

同樣也是顧名思義，它會(huì)優(yōu)先選擇運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，有助于提高系統(tǒng)吞吐量。但是對(duì)長(zhǎng)作業(yè)不利，所以很容易造成一種極端現(xiàn)象。比如，一個(gè) 長(zhǎng)作業(yè) 在就緒隊(duì)列等待運(yùn)行，而這個(gè)就緒隊(duì)列有非常多的短作業(yè)，最終使得 長(zhǎng)作業(yè) 不斷的往后推，周轉(zhuǎn)時(shí)間變長(zhǎng)，致使長(zhǎng)作業(yè)長(zhǎng)期不會(huì)被運(yùn)行（適用于 I/O 繁忙型作業(yè)的系統(tǒng)）。

高響應(yīng)比優(yōu)先算法 （Highest Response Ratio Next, HRRN）

因?yàn)榍懊娴?span style="color: Blue;">「先進(jìn)先出算法」和「最短作業(yè)優(yōu)先算法」都沒(méi)有很好的權(quán)衡短作業(yè)和長(zhǎng)作業(yè)，所以高響應(yīng)比優(yōu)先算法主要是權(quán)衡了短作業(yè)和長(zhǎng)作業(yè)。

每次進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度時(shí)，先計(jì)算「響應(yīng)比優(yōu)先權(quán)」，然后把「響應(yīng)比優(yōu)先權(quán)」最高的進(jìn)程投入運(yùn)行。

從上面的公式，可以發(fā)現(xiàn)：

如果兩個(gè)進(jìn)程的「等待時(shí)間」相同時(shí)，「要求的服務(wù)時(shí)間」越短，「優(yōu)先權(quán)」就越高，這樣短作業(yè)的進(jìn)程容易被選中運(yùn)行（如果等待時(shí)間較短，進(jìn)程的運(yùn)行時(shí)間越短，優(yōu)先權(quán)就會(huì)越高 =>  等待時(shí)間較短的短作業(yè)進(jìn)程）

如果兩個(gè)進(jìn)程「要求的服務(wù)時(shí)間」相同時(shí)，「等待時(shí)間」越長(zhǎng)，「優(yōu)先權(quán)」就越高，這就兼顧到了長(zhǎng)作業(yè)進(jìn)程，因?yàn)檫M(jìn)程的響應(yīng)比可以隨時(shí)間等待的增加而提高，當(dāng)其等待時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，其響應(yīng)比便可以升到很高，從而獲得運(yùn)行的機(jī)會(huì)（如果要求服務(wù)時(shí)間比較長(zhǎng)，進(jìn)程的等待時(shí)間越長(zhǎng)，優(yōu)先權(quán)就會(huì)越高 => 等待時(shí)間較長(zhǎng)的長(zhǎng)作業(yè)進(jìn)程）

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（Round Robin, RR）算法

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)是最古老、最簡(jiǎn)單、最公平且使用最廣的算法，給每個(gè)進(jìn)程分配相同時(shí)間片（Quantum），允許進(jìn)程在該時(shí)間段中運(yùn)行。

• 如果時(shí)間片用完，進(jìn)程還在運(yùn)行，將會(huì)把此進(jìn)程放入就緒隊(duì)列，并繼續(xù)調(diào)度另外一個(gè)進(jìn)程，依此類推
• 如果該進(jìn)程在時(shí)間片結(jié)束前阻塞或結(jié)束，則調(diào)度另外一個(gè)進(jìn)程
• 進(jìn)程時(shí)間片用完，需要被重新分配時(shí)間片

需要注意的是，如果時(shí)間片設(shè)置的太短，會(huì)導(dǎo)致CPU上下文切換態(tài)頻繁，太長(zhǎng)又可能引起對(duì)短作業(yè)進(jìn)程的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，所以時(shí)間片設(shè)為 20ms~50ms 通常是一個(gè)比較合理的折中值

最高優(yōu)先級(jí)（Highest Priority First，HPF）算法

前面的「時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法」讓所有的進(jìn)程同等重要，不偏袒誰(shuí)，大家的運(yùn)行時(shí)間都一樣。但是，對(duì)于多用戶計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就有不同的看法了，它們希望調(diào)度是有優(yōu)先級(jí)的，希望調(diào)度程序能從就緒隊(duì)列中選擇最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程運(yùn)行，這就是最高優(yōu)先級(jí)（Highest Priority First，HPF）算法。

進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)可以分為：

• 靜態(tài)優(yōu)先級(jí)：創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)候，已經(jīng)確定優(yōu)先級(jí)，整個(gè)運(yùn)行時(shí)間優(yōu)先級(jí)都不會(huì)變化
• 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)：根據(jù)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化調(diào)整優(yōu)先級(jí)，比如進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間增加，則降低其優(yōu)先級(jí)，如果進(jìn)程等待時(shí)間（就緒隊(duì)列的等待時(shí)間）增加，則提高優(yōu)先級(jí)。

有兩種處理優(yōu)先級(jí)高的方法：

• 非搶占式：當(dāng)就緒隊(duì)列中出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程，運(yùn)行完當(dāng)前進(jìn)程，再選擇優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程。
• 搶占式：當(dāng)就緒隊(duì)列中出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程，當(dāng)前進(jìn)程掛起，調(diào)度優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程運(yùn)行。

但是依然有缺點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程永遠(yuǎn)不會(huì)運(yùn)行。

多級(jí)反饋隊(duì)列（Multilevel Feedback Queue）算法

多級(jí)反饋隊(duì)列（Multilevel Feedback Queue）算法 是基于「時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法」和「最高優(yōu)先級(jí)算法」演進(jìn)而來(lái)，如同它的名字一樣，根據(jù)優(yōu)先級(jí)分組成多個(gè)隊(duì)列，在算法中涉及兩個(gè)概念：

• 「多級(jí)」表示有多個(gè)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)從高到低，優(yōu)先級(jí)越高的隊(duì)列擁有的時(shí)間片越短
• 「反饋」 表示有新的進(jìn)程進(jìn)入優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列時(shí)，停止當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程，去運(yùn)行優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列

工作流程：

• 多個(gè)隊(duì)列，賦予每個(gè)隊(duì)列不同的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)從高到低，同時(shí)優(yōu)先級(jí)越高時(shí)間片越短
• 新進(jìn)的 進(jìn)程 會(huì)被放入 第一級(jí)隊(duì)列 尾部，按先來(lái)先服務(wù)的原則排隊(duì)等待被調(diào)度，如果第一級(jí)隊(duì)列時(shí)間片用完，還有進(jìn)程沒(méi)有執(zhí)行，把第一級(jí)隊(duì)列剩余的進(jìn)程 放入 第二級(jí)隊(duì)列的尾部，依此類推
• 當(dāng)優(yōu)先級(jí)高隊(duì)列為空，正在運(yùn)行低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的進(jìn)程時(shí)，有新進(jìn)程 進(jìn)入 高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，這時(shí)立即停止當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程，把當(dāng)前進(jìn)程放入 原隊(duì)列 尾部，轉(zhuǎn)而去 運(yùn)行 高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的進(jìn)程。

可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于短作業(yè)可能可以在第一級(jí)隊(duì)列很快被處理完。對(duì)于長(zhǎng)作業(yè)，如果在第一級(jí)隊(duì)列處理不完，可以移入下次隊(duì)列等待被執(zhí)行，雖然等待的時(shí)間變長(zhǎng)了，但是運(yùn)行時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)了，很好的兼顧了長(zhǎng)短作業(yè)，同時(shí)有較好的響應(yīng)時(shí)間。