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随写笔记_OS_05_20

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一些关键字

  1. 进程

进程：一个正在运行的程序的实例，是操作系统进程资源分配和调度的基本单位。每个进程都有自己的地址空间、内存、文件描述符、全局变量等资源。

特点：

  1. 独立性：进程拥有自己独立的地址空间，进程之间相互隔离
  2. 资源拥有：每个进程有自己独立的内存空间、文件描述符、进程控制块
  3. 并发性：多个进程可以并发执行，每个进程可以独立运行
  4. 生命周期：进程的生命周期包括创建、就绪、运行、等待和终止

组成：

  1. 代码段：存储可执行的代码
  2. 数据段：存储全局变量和静态变量
  3. 堆：用于动态内存分配
  4. 栈：存储函数调用的返回地址、本地变量、函数局部变量
  5. 进程控制块(PCB)：存储进程的状态、程序计数器、寄存器信息、调度信息、内存管理信息

linux 进程内核结构

  1. 进程控制块（Process Control Block, PCB）：
  1. 内存管理：

  1. 文件描述符表：存储进程打开的文件描述符，每个文件描述符对应一个文件结构（file struct）。

  2. 信号处理：与进程相关的信号处理信息。

  3. 调度信息：进程的调度优先级和调度策略。

linux线程内核结构 在 Linux 中，线程被视为一种轻量级进程，它们共享同一个进程的某些资源，但每个线程都有自己的执行上下文。线程的内核结构也包含在 task_struct 中，但有一些共享和独立的部分：

  1. 共享部分：

    1. 进程地址空间：同一进程的线程共享相同的地址空间，包括代码段、数据段、堆和全局变量。
    2. 文件描述符表：所有线程共享相同的文件描述符表。
    3. 信号处理：线程共享信号处理设置。
    4. 用户 ID 和组 ID：同一进程的线程共享相同的用户 ID 和组 ID。

  2. 独立部分：

    1. 线程控制块（Thread Control Block, TCB）：每个线程有自己的 TCB，存储线程的执行上下文，如寄存器状态、程序计数器和栈指针。
    2. 内核栈：每个线程有自己的内核栈，用于处理内核态的函数调用和中断处理。
    3. 线程局部存储（Thread Local Storage, TLS）：用于存储线程特有的数据。

进程的生命周期

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图片来源

参考02

进程通信

同一主机进程间通信

Unix 进程间通信

匿名管道 有名管道 信号

System V 进程间通信方式 、 POSIX 进程间通信方式

消息队列 共享内存 信号量

不同主机（网络）进程间通信

socket

管道

管道，本质是内核内存中维护的缓冲器，这个缓冲器的存储能力有限，不同的操作系统大小不一定相同。管道拥有文件的特质：读操作、写操作。匿名函数没有文件实体，有名函数有函数实体，但不存储数据。可以按照操作文件的方式对管道进程操作。

一个管道就是一个字节流，使用管道时不存在消息挥着消息便捷的概念，从管道读取数据的进程可以读取任意大小的数据块，而不管写入管道的数据块的大小。通过管道传递数据的顺序，从管道读取的顺序和这些数据从管道写入的数据是完全一样的。管道中数据的传递方式是单向的，一段用于写入，另一端用于读取，管道是半双工。 匿名管道只能在具有公共祖先的进程（父进程与子进程、两个兄弟进程，具有沁园关系）之间使用。

  1. 线程
在 Linux 内核中，线程是通过轻量级进程（Lightweight Process, LWP）来实现的。每个线程有自己独立的线程控制块（Thread Control Block, TCB），但共享相同的进程控制块（Process Control Block, PCB）的一部分。Linux 内核通过 clone 系统调用创建线程，这个系统调用允许新线程共享调用者的地址空间和其他资源。

task_struct

在 Linux 操作系统中，线程控制块（Thread Control Block, TCB）和进程控制块（Process Control Block, PCB）都被实现为一个统一的数据结构，即 task_struct。 这个结构体包含了操作系统管理进程和线程所需的所有信息。 实际上，在 Linux 中，没有专门的 TCB 和 PCB 结构，所有进程和线程共享相同的 task_struct 数据结构，只是使用该结构的方式不同。

struct task_struct {
    // 进程状态
    volatile long state;

    // 链接到运行队列或等待队列的指针
    struct list_head tasks;
    struct list_head pushable_tasks;

    // 进程标识符
    pid_t pid;
    pid_t tgid;

    // 信号处理
    struct signal_struct *signal;
    struct sighand_struct *sighand;

    // 内存管理信息
    struct mm_struct *mm;
    struct mm_struct *active_mm;

    // 进程调度信息
    struct sched_entity se;
    struct sched_rt_entity rt;

    // 父进程、子进程
    struct task_struct __rcu *parent;
    struct list_head children;
    struct list_head sibling;

    // 线程信息
    struct thread_struct thread;

    // 文件描述符表
    struct files_struct *files;

    // 虚拟文件系统信息
    struct fs_struct *fs;

    // 用户和组信息
    uid_t uid, gid;
    struct group_info *group_info;

    // CPU相关信息
    struct cpumask cpus_allowed;
    int on_cpu;

    // 内核栈指针
    unsigned long stack;

    // 其他字段
    ...
};
  1. 进程状态 (state): 存储进程的当前状态，例如运行中、睡眠中、停止等。
  2. 进程标识符 (pid, tgid): pid 是进程ID，tgid 是线程组ID。在单线程进程中，这两个值是相同的。
  3. 信号处理 (signal, sighand): 管理进程接收和处理信号的信息。
  4. 内存管理信息 (mm, active_mm): mm 指向该进程的内存描述符，包含进程的地址空间信息；active_mm 是当前活动的内存描述符。
  5. 调度信息 (se, rt): 包含调度实体和实时调度实体，决定进程如何被调度执行。
  6. 父进程、子进程 (parent, children, sibling): 链接到进程树结构，跟踪父进程、子进程和兄弟进程。
  7. 线程信息 (thread): 包含与具体线程相关的CPU寄存器状态和其他信息。
  8. 文件描述符表 (files): 指向进程打开的文件描述符表。
  9. 虚拟文件系统信息 (fs): 包含进程的当前工作目录和根目录的信息。
  10. 用户和组信息 (uid, gid, group_info): 进程所属的用户ID和组ID。
  11. CPU 相关信息 (cpus_allowed, on_cpu): 指示进程允许在哪些CPU上运行，以及当前在哪个CPU上运行。
  12. 内核栈指针 (stack): 指向进程的内核栈
  1. 协程

轻量级线程vs携程

  1. 轻量级线程（Lightweight Thread）

    1. 定义 轻量级线程是由操作系统内核管理的线程。它们可以并行执行，由内核进行调度和管理。

    2. 特点 内核管理：由操作系统内核管理，内核负责线程的创建、调度和销毁。 并行执行：可以在多处理器系统中并行执行。 独立调度：每个线程有自己的程序计数器、栈和寄存器集合，内核独立调度。 资源共享：线程共享同一进程的地址空间、文件描述符等资源。 阻塞与调度：一个线程阻塞不会影响其他线程的运行，因为内核可以调度其他线程。 上下文切换：线程之间的上下文切换由内核管理，开销较大（相对于协程）。

    3. 优点 支持并行执行，充分利用多核处理器。 内核级调度，更适合 I/O 密集型和 CPU 密集型任务。 阻塞线程不影响其他线程。

    4. 缺点 上下文切换开销较大。 线程创建和销毁的开销大于协程。 资源竞争问题，如锁争用和死锁。

  2. 协程（Coroutine）

    1. 定义 协程是一种用户级别的并发机制，它们在用户空间中执行，通常由应用程序或运行时库进行调度。协程是非抢占式的，只有在协程显式挂起时才会切换到其他协程。

    2. 特点 用户级管理：由用户级库或运行时管理，操作系统内核不感知。 非抢占式调度：协程的切换是显式的，只有当协程主动挂起时才会发生切换。 协作式多任务：协程之间通过显式挂起和恢复进行协作。 轻量级：创建和销毁协程的开销非常小，上下文切换开销也小。 单线程执行：通常在单线程中执行，多协程共享同一个线程的栈和资源。

    3. 优点 上下文切换开销小，非常高效。 简单易用，适用于 I/O 密集型任务和异步编程。 没有资源竞争问题，不需要复杂的同步机制。

    4. 缺点 不能利用多核处理器进行并行执行。 协程阻塞会导致整个线程阻塞，需要避免阻塞操作。 调试和跟踪较为复杂。

  3. 轻量级线程与协程的对比

特性 轻量级线程 协程
管理者 操作系统内核 用户级库或运行时
调度方式 内核调度 用户级调度
并行执行 支持并行执行，多核处理器友好 通常不支持并行执行，多在单线程内
上下文切换开销 较大 非常小
阻塞 一个线程阻塞不影响其他线程 一个协程阻塞会导致整个线程阻塞
资源共享 共享进程资源 共享线程资源
使用场景 CPU 密集型和 I/O 密集型任务 I/O 密集型任务和异步编程

  1. 总结 轻量级线程和协程都用于实现并发，但它们适用于不同的场景：

    轻量级线程：适合需要利用多核处理器进行并行执行的场景，适合 CPU 密集型和 I/O 密集型任务。它们由内核管理，提供更强的隔离性和调度能力。 协程：适合单线程内的高效并发，尤其是在处理 I/O 密集型任务和异步编程时。协程具有轻量级的上下文切换和更低的管理开销，但不适合并行执行。

  1. 僵尸进程

进程结束，自己的地址空间当中的用户数据会被释放，但是内核区的PCB无法自己释放，需要父进程释放，如果进程终止，父进程没有回收（wait、waitpid），子进程残留的资源（PCB）存放与内核中，这个进程就变成了僵尸进程。僵尸进程不能被kill -9 杀死，然后内核的PCB信息一直占用，进程号也一直占用，但是系统的进程号是有限的，当产生大量僵尸进程，可能会导致没有可用的进程号而导致不能产生新的进程。

  1. 孤儿进程

父进程运行结束，但是子进程还在运行（未结束）。当出现孤儿进程时，内核会把孤儿进程的父进程设置为init，而init进程会循环地wait()它已经退出的子进程。孤儿进程没有什么危害。

  1. 阻塞

  2. 非阻塞

  1. 并发

  2. 并行

一些补充 from gpt

轻量级线程

  1. 轻量级进程的特点
    1. 资源共享： LWP 共享同一个进程的地址空间、文件描述符、信号处理等资源，这使得它们之间的通信和切换比进程更快。
    2. 独立调度： 每个 LWP 有自己的程序计数器、寄存器集合和栈，因此它们可以被独立调度和执行。
    3. 较小的开销： 创建和销毁 LWP 的开销比进程小，切换上下文的开销也较低，因为 LWP 不需要切换整个地址空间。
    4. 内核管理： LWP 由操作系统内核管理，因此它们可以利用多处理器系统中的多个 CPU 进行并行执行。
  2. 轻量级进程的实现

在不同的操作系统中，LWP 的实现方式有所不同。例如：

Linux： 在 Linux 中，轻量级进程通常通过 clone 系统调用来创建。clone 允许新线程共享其父线程的资源，例如地址空间和文件描述符。 Linux 中的线程库（如 POSIX 线程库 pthread）实际上使用的是轻量级进程。 Solaris： 在 Solaris 中，LWP 是一种特殊的调度实体，结合了用户级线程和内核级线程的优点。

  1. 轻量级进程与线程的关系 在许多现代操作系统中，轻量级进程与线程通常被视为同义词，因为它们都表示内核级的线程。以下是轻量级进程和线程的一些关系和区别：

    1. 相似性：

      两者都表示可以被独立调度的执行单元。 共享同一进程的地址空间和资源。

    2. 区别：

      在一些文献中，轻量级进程特指那些由内核直接管理的线程，而线程可能指用户级线程（User-Level Thread, ULT），这些线程由用户空间的线程库管理，不需要内核直接介入。

  2. 轻量级进程的优缺点

    1. 优点
      1. 快速切换： 由于共享同一地址空间，LWP 之间的上下文切换比进程切换更快。
      2. 资源利用率高：
      3. LWP 共享进程的资源，使得内存和其他资源的利用更加高效。
      4. 并发性强： 可以在多处理器系统中实现真正的并行执行，提高程序的并发性能。
    2. 缺点
      1. 资源竞争： 由于 LWP 共享同一进程的资源，可能导致竞争资源，如锁争用问题。
      2. 调试困难： 由于 LWP 共享同一地址空间，调试并发问题可能更加复杂。

我发现，得不断思考、重复总结，才能把一些知识点吃透、吃烂

未完待续…

#操作系统 #随写