【操作系统】基础回顾（一）

1. 用户态和内核态

1.1 什么是用户态和内核态？

根据进程访问资源的特点，我们可以把进程在系统上的运行分为两个级别：

• 用户态(User Mode) : 用户态运行的进程可以直接读取用户程序的数据，拥有较低的权限。当应用程序需要执行某些需要特殊权限的操作，例如读写磁盘、网络通信等，就需要向操作系统发起系统调用请求，进入内核态。
• 内核态(Kernel Mode) ：内核态运行的进程几乎可以访问计算机的任何资源包括系统的内存空间、设备、驱动程序等，不受限制，拥有非常高的权限。当操作系统接收到进程的系统调用请求时，就会从用户态切换到内核态，执行相应的系统调用，并将结果返回给进程，最后再从内核态切换回用户态。

内核态相比用户态拥有更高的特权级别，因此能够执行更底层、更敏感的操作。不过，由于进入内核态需要付出较高的开销（需要进行一系列的上下文切换和权限检查），应该尽量减少进入内核态的次数，以提高系统的性能和稳定性。

1.2 为什么要有用户态和内核态？只有一个内核态不行么？

• 在 CPU 的所有指令中，有一些指令是比较危险的比如内存分配、设置时钟、IO 处理等，如果所有的程序都能使用这些指令的话，会对系统的正常运行造成灾难性地影响。因此，我们需要限制这些危险指令只能内核态运行。这些只能由操作系统内核态执行的指令也被叫做 特权指令 。
• 如果计算机系统中只有一个内核态，那么所有程序或进程都必须共享系统资源，例如内存、CPU、硬盘等，这将导致系统资源的竞争和冲突，从而影响系统性能和效率。并且，这样也会让系统的安全性降低，毕竟所有程序或进程都具有相同的特权级别和访问权限。

因此，同时具有用户态和内核态主要是为了保证计算机系统的安全性、稳定性和性能

1.3 用户态和内核态是如何切换的？

用户态切换到内核态的 3 种方式

1. 系统调用（Trap） ：用户态进程 主动 要求切换到内核态的一种方式，主要是为了使用内核态才能做的事情比如读取磁盘资源。系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现。
2. 中断（Interrupt） ：当外围设备完成用户请求的操作后，会向 CPU 发出相应的中断信号，这时 CPU 会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去执行与中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。
3. 异常（Exception） ：当 CPU 在执行运行在用户态下的程序时，发生了某些事先不可知的异常，这时会触发由当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中，也就转到了内核态，比如缺页异常。

在系统的处理上，中断和异常类似，都是通过中断向量表来找到相应的处理程序进行处理。区别在于，中断来自处理器外部，不是由任何一条专门的指令造成，而异常是执行当前指令的结果

2. 系统调用

2.1 什么是系统调用？

我们运行的程序基本都是运行在用户态，如果我们调用操作系统提供的内核态级别的子功能咋办呢？那就需要系统调用了！

也就是说在我们运行的用户程序中，凡是与系统态级别的资源有关的操作（如文件管理、进程控制、内存管理等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。

3. 进程和线程

3.1 什么是进程和线程？

• 进程（Process） 是指计算机中正在运行的一个程序实例。举例：你打开的微信就是一个进程。
• 线程（Thread） 也被称为轻量级进程，更加轻量。多个线程可以在同一个进程中同时执行，并且共享进程的资源比如内存空间、文件句柄、网络连接等。举例：你打开的微信里就有一个线程专门用来拉取别人发你的最新的消息。

3.2 进程和线程的区别是什么？

下图是 Java 内存区域，我们从 JVM 的角度来说一下线程和进程之间的关系吧！

从上图可以看出：一个进程中可以有多个线程，多个线程共享进程的堆和方法区 (JDK1.8 之后的元空间)资源，但是每个线程有自己的程序计数器、虚拟机栈 和 本地方法栈。

总结：

• 线程是进程划分成的更小的运行单位,一个进程在其执行的过程中可以产生多个线程。
• 线程和进程最大的不同在于基本上各进程是独立的，而各线程则不一定，因为同一进程中的线程极有可能会相互影响。
• 线程执行开销小，但不利于资源的管理和保护；而进程正相反。
• 进程是操作系统进行资源分配的最小单元，线程是操作系统进行运算调度的最小单元

3.3 多核和多CPU区别

• 多CPU：不共享资源，多个CPU
• 多核：一个CPU内部多个核心，共享cache和MMU

对于多核心的架构，由于共用一套MMU和cache，所以地址空间是一个，同一时刻只能运行一个进程，此时进程不能并行只能并发。同一个进程下的多线程可以并行执行，因为多线程共享同一套进程空间资源。

3.4 有了进程为什么还需要线程?

• 进程切换是一个开销很大的操作，线程切换的成本较低。
• 线程更轻量，一个进程可以创建多个线程。
• 多个线程可以并发处理不同的任务，更有效地利用了多处理器和多核计算机。而进程只能在一个时间干一件事，如果在执行过程中遇到阻塞问题比如 IO 阻塞就会挂起直到结果返回。
• 同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核。

3.5 为什么要使用多线程?

先从总体上来说：

• 从计算机底层来说： 线程可以比作是轻量级的进程，是程序执行的最小单位,线程间的切换和调度的成本远远小于进程。另外，多核 CPU 时代意味着多个线程可以同时运行，这减少了线程上下文切换的开销。
• 从当代互联网发展趋势来说： 现在的系统动不动就要求百万级甚至千万级的并发量，而多线程并发编程正是开发高并发系统的基础，利用好多线程机制可以大大提高系统整体的并发能力以及性能。

再深入到计算机底层来探讨：

• 单核时代：在单核时代多线程主要是为了提高单进程利用 CPU 和 IO 系统的效率。 假设只运行了一个 Java 进程的情况，当我们请求 IO 的时候，如果 Java 进程中只有一个线程，此线程被 IO 阻塞则整个进程被阻塞。CPU 和 IO 设备只有一个在运行，那么可以简单地说系统整体效率只有 50%。当使用多线程的时候，一个线程被 IO 阻塞，其他线程还可以继续使用 CPU。从而提高了 Java 进程利用系统资源的整体效率。
• 多核时代: 多核时代多线程主要是为了提高进程利用多核 CPU 的能力。举个例子：假如我们要计算一个复杂的任务，我们只用一个线程的话，不论系统有几个 CPU 核心，都只会有一个 CPU 核心被利用到。而创建多个线程，这些线程可以被映射到底层多个 CPU 上执行，在任务中的多个线程没有资源竞争的情况下，任务执行的效率会有显著性的提高，约等于（单核时执行时间/CPU 核心数）

3.6 线程间的同步的方式有哪些？

线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。

下面是几种常见的线程同步的方式：

1. 互斥锁(Mutex) ：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。
2. 读写锁（Read-Write Lock） ：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
3. 信号量(Semaphore) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
4. 屏障（Barrier） ：屏障是一种同步原语，用于等待多个线程到达某个点再一起继续执行。当一个线程到达屏障时，它会停止执行并等待其他线程到达屏障，直到所有线程都到达屏障后，它们才会一起继续执行。比如 Java 中的 CyclicBarrier 是这种机制。
5. 事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

4. 进程同步和互斥

• 进程同步：进程 A 应在进程 B 之前执行
• 进程互斥：进程 A 和进程 B 不能在同一时刻执行

从上不难看出，「进程互斥是一种特殊的进程同步」，即逐次使用临界资源，也是对进程使用资源的先后执行次序的一种协调。

4.1 生产者和消费者问题

下面我们利用信号量和 PV 操作来解决经典的进程同步和互斥问题：生产者和消费者问题。

【问题描述】：系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用。任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区。

由题可知，生产者、消费者共享一个初始为空、大小为 n 的缓冲区，我们从题目中提炼出同步与互斥关系：

• 同步关系 1：只有缓冲区没满时（优先级高），生产者才能把产品放入缓冲区（优先级低），否则必须等待
• 同步关系 2：只有缓冲区不空时（优先级高），消费者才能从中取出产品（优先级低），否则必须等待
• 互斥关系：缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

既然这个题目有两个同步关系和一个互斥关系，那么我们就需要两个同步信号量和一个互斥信号量：

• empty：同步信号量（对应同步关系 1），表示生产者还能生产多少，即还能放入缓冲区多少产品，该数量小于等于 0，则生产者不能进行生产。初始化为 n。
• full：同步信号量（对应同步关系 2），表示消费者还能从缓冲区取出多少，即当前缓冲区已有产品的数量，该数量小于等于 0，则消费者不能进行读取。初始化为 0。
• mutex：互斥信号量，实现对缓冲区的互斥访问。初始化为 1。

代码如下，注意各个 PV 操作的配对：

4.2 线程间的同步的方式有哪些？

线程同步是两个或多个共享关键资源的线程的并发执行。应该同步线程以避免关键的资源使用冲突。

下面是几种常见的线程同步的方式：

1. 互斥锁(Mutex) ：采用互斥对象机制，只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限。因为互斥对象只有一个，所以可以保证公共资源不会被多个线程同时访问。比如 Java 中的 synchronized 关键词和各种 Lock 都是这种机制。
2. 读写锁（Read-Write Lock） ：允许多个线程同时读取共享资源，但只有一个线程可以对共享资源进行写操作。
3. 信号量(Semaphore) ：它允许同一时刻多个线程访问同一资源，但是需要控制同一时刻访问此资源的最大线程数量。
4. 屏障（Barrier） ：屏障是一种同步原语，用于等待多个线程到达某个点再一起继续执行。当一个线程到达屏障时，它会停止执行并等待其他线程到达屏障，直到所有线程都到达屏障后，它们才会一起继续执行。比如 Java 中的 CyclicBarrier 是这种机制。
5. 事件(Event) :Wait/Notify：通过通知操作的方式来保持多线程同步，还可以方便的实现多线程优先级的比较操作。

参考链接

1. 看完了进程同步与互斥机制，我终于彻底理解了 PV 操作