進程線程及其狀態

進程

進程的概念

• 進程就是執行中的程式。

進程的狀態

進程有五種狀態，分別是：

• 新建：進程正在被創建
• 運行：進程正在被執行
• 阻塞：進程等待某個事件（如I/O操作）
• 就緒：進程等待分配處理器
• 終止：進程完成執行

進程調度流程圖

線程

線程的概念

• 線程是程式執行流的最小單元，線程早期也有輕量級進程之稱。一個進程中可能包含多個線程。在系統內核層面，進程與線程並無本質的不同。進程與線程最大的不同點是資源分配。

線程與進程的比較

• 線程與進程都可以實現多任務。
• 線程是CPU調度的基本單元，進程是系統資源分配的基本單元。
• windows下進程線程是涇渭分明，區別明顯的。在Linux中它們有很多共同特性。
• 在早期Linux的內核結構中：進程和線程的區別隻是創建子進程和子線程時，是否設置為共用記憶體，二者在內核中的存儲結構並無區別，系統調度的單位也是輕量級進程。2.6以後的Linux內核版本才將線程和進程完全獨立開來。
• 線程的狀態改變只代表了CPU執行過程的改變，線程操作的資源仍然是進程的。除了 CPU外，電腦內的軟硬體資源的分配都是以進程為單位的。進程擁有一個完整的虛擬地址空間，不依賴於線程而獨立存在，而線程只是進程的一部分，與進程內的其他線程一起共用分配給該進程的所有資源。

線程的狀態

• 同進程的實現原理類似，線程也可主要概括為五種狀態（實際上Linux將線程狀態細分為十幾種）：
  • 新建，由於不需要進行必要的記憶體複製等工作，新建線程要比新建進程更快。
  • 就緒
  • 運行
  • 阻塞
  • 死亡，線程死亡後，也需要回收處理。
• 調度的過程參考進程。

線程的內核調度

• 多線程編程具有響應度高、資源共用、經濟和多處理器體繫結構的利用四個優點。用戶線程是映射到內核線程池進行CPU調度的，映射關係模型包含有：

  • （1）多對一
  • （2）一對一
  • （3）多對多

內核調度圖

• 這裡為什麼沒有一對多？因為線程是CPU資源調度的最小單位，即：單線程在一個時間點上只能利用到一個核心（進行一個原子操作），一個原子操作不能再分開由不同核心執行。而多核CPU在執行單線程任務時，可能會切換多個核心輪流來執行這個任務（每個原子操作的CPU核心可能並不相同），例如在執行迴圈時，這次迴圈和下次迴圈可能並不是同一個核心來執行的（這跟你的系統有關，但可以看到單線程最多只能占用到 (1/CPU核心數) 的CPU資源（超線程CPU占用1/（CPU線程數））。
• 而資源上，多核CPU調用同一資源時，X86架構會使用匯流排鎖，對該資源進行鎖定，保證原子操作執行完整不被打斷。當操作完成時，會解鎖並通知其他線程，我操作完了，你們可以來操作了（實際上，此方法效率很低，僅作為最後一道保險）。
• 因此確定一個操作是原子操作時，沒有必要浪費外圍昂貴的開銷再來給他加鎖，原子操作本身就是一道互斥鎖。互斥鎖的目的，也正是將一系列操作變為原子操作。

進程的誕生與消亡

• 進程的誕生
  • （1）fork函數：子進程拷貝父進程的數據（具體實現是讀時共用，寫時複製）
  • （2）vfork函數：子進程與父進程共用數據
  • vfork是一個過時的函數，雖然與fork相比有那麼一點性能優勢，但其帶來一連串的坑並不那麼好填，不建議使用，除非你對性能追求到極致。
• 進程的消亡
  • （1）正常結束和異常終止；
  • （2）linux系統設計時規定：每個進程結束時，系統會自動回收open但沒有close的文件資源，malloc但沒有free的資源等，但並不會回收進程本身占用的資源（即進程的屍體，主要包括進程本身的文件描述符對應的資源（task_struct結構體）和進程的棧空間），這需要由進程的父進程來完成回收（收屍）。
• 僵屍進程
  • 在上述（2）中，如果父進程沒有結束，而且也不回收已結束的子進程（收屍），已經結束的子進程，就變成了僵屍進程。
  • 父進程可以使用wait或waitpid，顯式地回收子進程（剩餘待回收）的記憶體資源並且獲取子進程退出狀態。
  • 父進程結束時也會自動回收僵屍進程，但應避免這種不嚴謹的方式。
• 孤兒進程
  • 子進程還在執行，而父進程先結束了，子進程就成為了孤兒進程，托管到系統了。
  • 此時子進程的父進程變為了系統的init進程，init進程會在孤兒進程結束後自動回收孤兒進程的資源。

線程的誕生與消亡

• 線程標識（線程ID）
  • 進程ID在整個系統中是唯一的。
  • 線程ID（pthread_t類型）只在它所屬的進程中有效。
  • pthread_t（Linux中為unsigned int類型，OS中為結構體指針，Windows中為handle句柄）用於聲明線程ID。
  • 函數：pthread_self取得自身線程ID。
• 創建線程
  • 使用函數pthread_create，線程創建後，就開始運行相關的線程函數。
• 退出線程。
  • 線程執行完畢。可以return，不能exit（exit是退出進程）。
  • 使用函數pthread_exit，主動退出線程。主線程使用該函數時，進程並不會結束，而是等待其他線程結束。
  • 進程結束時，線程也結束（線程依賴於其所在的進程）。
• 線程回收
  • 由於線程使用的資源是屬於進程的，退出線程而進程仍然運行時資源並未完全釋放，形成僵屍線程。
  • pthread_join(tid)函數類似wait/waitpid函數，用於阻塞等待線程tid結束，調用它的線程一直等待到tid線程結束時，tid線程資源就被回收。
  • pthread_detach(tid)函數線程分離，讓系統自動回收tid線程。
  • 按以下步驟回收:
    • pthread_attr_t attr;//線程創建前，定義線程屬性
    • pthread_attr_init(&attr);//進行初始化線程屬性
    • pthread_attr_getdetachsate(&attr,&status);//獲取分離狀態
    • pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_DETACHED);//設置線程分離狀態.
    • pthread_create(&tid, &attr,func,NULL);//創建線程
    • pthread_attr_destroy(&attr);//線程結束時，調用回收函數
  • 線程回收代碼示例:

  void * func(void *p)
  {
      printf("我是子線程\n");
  }
  int main(int argc, char *argv[])
  {
      pthread_attr_t attr; //定義一個變數
      pthread_t tid;
      pthread_attr_init(&attr);//初始化
      pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);//設置分離
      pthread_create(&tid, &attr, func, NULL);//創建線程
      sleep(1);//等1秒讓子線程執行完
      pthread_attr_destroy(&attr);//釋放
      return 0;
  }