碎玉零珠————计算机操作系统

并发与并行

• 并发：在一段时间内，多个任务都会被处理。但在某一时刻，只有一个任务在执行。单核处理器做到的并发，其实是利用时间片的轮转，例如有两个进程 A 和 B，A 运行一个时间片之后，切换到 B，B 运行一个时间片之后又切换到 A。因为切换速度足够快，所以宏观上表现为在一段时间内能同时运行多个程序。
• 并行：在同一时刻，有多个任务在执行。这个需要多核处理器才能完成，在微观上就能同时执行多条指令，不同的程序被放到不同的处理器上运行，这个是物理上的多个进程同时进行。

进程的状态

• 运⾏状态（Runing）：该时刻进程占用 CPU；
• 就绪状态（Ready）：可运行，由于其他进程处于运行状态而暂时停止运行；
• 阻塞状态（Blocked）：该进程正在等待某⼀事件发生（如等待输⼊/输出操作的完成）而暂时停止运行，这时，即使给它 CPU 控制权，它也无法运行；
• 创建状态（new）：进程正在被创建时的状态；
• 结束状态（Exit）：进程正在从系统中消失时的状态；

进程与线程

• 进程是一个正在执行的程序的实例。每个进程有自己独立的地址空间、全局变量、堆栈、和文件描述符等资源。
• 线程是进程中的一个执行单元。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的地址空间和资源。
• 每个进程在独立的地址空间中运行，不会直接影响其他进程。线程共享同一个进程的内存空间、全局变量和文件描述符。
• 进程切换需要保存和恢复大量的上下文信息，代价较高。线程切换相对较轻量，因为线程共享进程的地址空间，只需要保存和恢复线程私有的数据。
• 线程的生命周期由进程控制，进程终止时，其所有线程也会终止。

特性	进程	线程
地址空间	独立	共享
内存开销	高	低
上下文切换	慢，开销大	快，开销小
通信	需要IPC机制，开销较大	共享内存，直接通信
创建销毁	开销大，较慢	开销小，较快
并发性	低	高
崩溃影响	一个进程崩溃不会影响其他进程	一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃

线程上下文切换

• 这还得看线程是不是属于同⼀个进程：
  1. 当两个线程不属于同⼀个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换⼀样；
  2. 当两个线程属于同⼀个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；
• 所以，线程的上下文切换相比进程，开销要小很多。

共享内存

• 允许两个或多个进程共享一个给定的内存区，一个进程写⼊的东西，其他进程⻢上就能看到。
• 共享内存是最快的进程间通信方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。
• 缺点：当多进程竞争同一个共享资源时，会造成数据错乱的问题。

虚拟内存

• 我们实际的物理内存主要是主存，但是物理主存空间有限，所以一般现代操作系统都会想办法把一部分内存块放到磁盘中，用到的时候再装入主存，但是对用户程序而言，是不需要注意实际的物理内存的，为什么呢？因为有虚拟内存的机制。
• 简单说，虚拟内存是操作系统提供的⼀种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。
• 每个进程都有自己独立的地址空间，再由操作系统映射到到实际的物理内存。
• 于是，这里就引出了两种地址的概念：
  1. 程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址（Virtual Memory Address）。
  2. 实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。
     

为什么要使用虚拟内存？

• 程序是运行在内存中的，程序运行时会将保存在硬盘上的程复制到RAM内存（载入内存），然后CPU执行内存中的程序代码。
• 如果执行的程序占用内存很大或很多，或同时执行多个程序，就会导致内存消耗殆尽。从而导致程序执行异常或崩溃。

虚拟内存工作原理

• 当进程开始运行时，先将一部分程序装入内存，另一部分暂时留在外存；当要执行的指令不在内存时，由系统自动完成将它们调入内存的工作；当没有足够的内存时，系统自动选择部分内存（暂不执行的程序）空间，将其中原有的内容交换到磁盘上，并释放这些内存空间供其他进程使用。
• 这样做的结果使程序的运行丝毫不受影响，使程序在运行中感觉到拥有一个不受内存容量约束的、虚拟的、能够满足自己需求的存储器。