重学操作系统（十三）
前言
我们经常在面试中遇到进程和线程的问题。很多时候我们只能知道一些比较表面的知识点，可能答不了特别的深入，因此面试官不满意。今天这一章节，先来看下进程和线程的基本知识。
进程和线程
进程（Process），正在运行的应用程序，软件的执行脚本。
线程，可以看作是轻量级的进程。
进程是分配资源的基础单位，而线程很长一段时间被称为轻量级进程（Light Weighted Process），是程序执行的基本单位。
资源分配问题
设计进程和线程，操作系统需要思考分配资源。最重要的三种资源是：计算资源（CPU）、内存资源和文件资源。早期的OS设计，没有线程，3种资源都分配给进程，多个进程通过分时技术交替执行，进程之间通过管道技术等进行通信。
但是如果这样，一个应用需要开多个进程，因为应用经常有很多必须要并行做的事情。因此，设计人员便引入了线程的概念。
轻量级进程
线程设计出来后，只需要被分配计算资源，因此被称为轻量级进程。被分配的方式，是操作系统调度线程。操作系统创建一个进程后，进程的入口程序被分配到一个主线程执行，这样操作系统其实是在调用进程中的线程。
分时和调度
因为一般机器的CPU核心数少，一般就几个到几十个，进程和线程数量很多（有的一个进程可能就几十个线程），因此进程们在操作系统中可能需要排队执行。每个进程执行时，都会获得操作系统分配的一个时间片段，如果超出这个时间，就会轮到下一个进程执行。
分配时间片段
图片来源于: @拉钩教育
以进程为单位的时间片段分配
上图展示了操作系统对每个进程分配时间片段的过程。对于线程，操作系统依旧这么处理。
进程和线程的状态
一个进程（线程）运行的过程，会经历三个状态：
- 进程（线程）创建后，就开始排队，此时它会处在“就绪”（Ready）状态。
- 当轮到该进程（线程）执行时，会变成“运行”（Running）状态。
- 当一个进程（线程）将操作系统分配的时间片段用完后，会回到“就绪”（Ready）状态。
- 如果一个进程（线程），等待磁盘读取数据，此时这个进程（线程）会进入“阻塞”（Block）状态。
- 由于一个处于“就绪”（Ready）状态的进程（线程）还在排队，因此进程（线程）内的程序无法执行，因此进程（线程）是无法从“就绪”（Ready）状态变为“阻塞”（Block）状态。
- 处于“阻塞”（Block）状态的进程（线程）如果处理完响应的任务，它需要重新排队，不能直接回到“运行”（Running）状态。
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进程（线程）状态切换
进程和线程的设计
进程和线程的表示
可以设计两个表，一个是进程表，一个是线程表。
进程表记录进程在内存中的位置，PID，状态，内存大小等信息。如果没有进程表，操作系统不知道自己在哪些进程。这张表可以直接放在内核中。
进程表记录的信息：
- 描述信息：进程的唯一标识，也就是PID，包括进程名称，所属用户等信息
- 资源信息：记录进程拥有的资源，比如进程和虚拟内存如何映射，拥有哪些文件，使用哪些I/O设备等
- 内存布局：操作系统也约定了进程如何使用内存。
操作系统还需要一张表记录线程，这就是线程表。线程也需要ID，可以叫作ThreadID。线程需要记录自己的执行状态，优先级，程序计数器，所有寄存器的值等。线程需要记录寄存器和程序计数器的值，是因为多个线程需要共用一个CPU，线程经常需要切换，因此需要在内存中保存寄存器和PC指针的值。
用户级线程和内核级线程存在映射关系，因此可以考虑内核中维护一张内核级线程表，这个表也包括上面的字段。
如果考虑不到这种映射关系，可以将线程信息还是存在进程中，每次执行时候才使用内核级线程。相当于内核中有一个线程池，等待用户空间去使用。每次用户级线程把程序计数器等传递过去，执行结束后，内核线程不销毁，等待下一个任务。因此总体来说，创建进程开销大，成本高。创建线程开销小，成本低。
隔离方案
操作系统中存在大量进程，为了让他们互相不干扰，考虑分配彼此完全隔离的内存区域，即便进程内部读取了相同的地址，而实际的物理地址也不同。这种方法叫作地址空间。
进程（线程）切换
进程（线程）在操作系统中是不断切换的，现代操作系统中只有线程的切换。每次切换，需要先保存当前寄存器的值的内存，PC指针也是一种寄存器。当恢复执行时，需要从内存中读出所有寄存器，恢复之前的状态，然后执行。
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进程（线程）切换
上述内容可以总结为五个步骤：
- 当操作系统发现一个进程（线程）需要被切换时，直接控制PC指针跳转是非常危险的事情，因此操作系统需要发送一个“中断”信号给CPU，停下当前执行的进程（线程）。
- 当CPU收到中断信号后，正在执行的进程（线程）会立即停止。
- 操作系统接管中断，趁着寄存器还没有被破坏，需要执行一小段很底层的程序（汇编写的），帮助寄存器保存之前进程（线程）的状态。
- 操作系统保存好进程状态后，执行调度程序，决定下一个要被执行的进程（线程）。
- 最后操作系统执行下一个进程（线程）。
- 操作系统执行一小段底层程序，帮助进程（线程）回复状态。
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进程（线程）切换流程
实现上述步骤3 - 6的算法可能是通过栈来实现，进程（线程）中断后，操作系统负责压栈关键数据。恢复执行后，操作系统负责出栈和恢复寄存器的值。
多核处理
多核一般维持上述设计，只不过可以并行的执行进程（线程）。通常情况下，CPU有几个核，就可以并行执行几个进程（线程）。通常说的并行，指的是Concurrent，指在一段时间内，几个任务看上去同时执行（不要求多核）。而另一个英文，Parallel，是绝对的并行，任务要同时执行（要求多核）。
创建进程（线程）的API
最直观的创建进程的方式，就是命令行执行一个程序，或者打开一个应用。
另外，操作系统提供了fork指令，它的作用是，当一个应用执行完一段代价昂贵的初始化程序后，将当前程序的状态复制好几份，变成一个个单独执行的进程。
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进程（线程）fork指令的应用
每次fork，都会多创建一个克隆的进程，所有状态和原进程一样，但是会有自己的地址空间。如果创造两个克隆进程，就要fork两次。
如果仅是想启动一个新的程序，那么操作系统提供了启动新程序的API。
如果想执行一小段程序，比如服务端处理客户端的请求，那么最好使用线程去处理。因为进程创建成本很高。
Java的Thread类，go的go-routine都是用来创建线程的API。
总结
进程和线程经过这一章节确实了解了很多。知道了很多在面试八股文中无法知晓的，便原理的内容，受益匪浅。下次再面试遇到，可以和面试官侃大山了。
那么，进程的开销比线程大在哪里呢？
Linux中创建进程就会创建一个线程，就是主线程。创建进程需要为进程划分出一块完整的内存空间，有大量的初始化操作，比如把内存分段（堆栈等）。创建线程只需要确定PC指针和寄存器的值，并且给线程分配一个栈用于执行程序。同一个进程的多个线程可以复用堆栈。因此创建进程的开销大，速度慢。
一个思考题：
Q：
fork()
fork()
fork()
print(“Hello World\n”)请问这个程序执行后， 输出结果 Hello World 会被打印几次？
A：打印八次，第一次fork后，产生了父子两个进程，然后第二次fork，它俩分别fork，就变成四个，之后变成八个。
参考
[1] https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=478#/detail/pc?id=4625
