线程、进程关系及调度

本帖最后由 anwafs 于 2018-11-20 11:15 编辑

进程、线程及其调度

知识需要不断总结、验证、迭代，知其然，知其所以然。
Question：
A、        有了进程，为什么还要线程?
B、        操作系统如何选择下一个要执行的线程?

如果对这两个问题感兴趣，那么请思考……
Think……
 
1、进程和线程
进程和线程的区别与联系：
进程：资源申请的最小单位
线程：资源调度的最小单位，进程的一部分，描述指令流的执行状态。
内核中，描述进程的数据结构PCB：进程控制块，描述线程的数据结构 TCB：线程控制块。

图1 单线程进程

图2 多线程进程       
进程主要设计目的是隔离，和其他进程地址空间隔离开来；线程是进程的一部分，主要设计目的是通信和并发，隔离不是主要目的。
进程/线程 生命周期：

图3 进程生命周期

2、线程的调度
调度算法最基本的一类是基于线程优先级的，线程的一种分类角度为：普通线程（SCHED_OTHER）和实时线程(SCHED_RR/SCHED_FIFO)。实时线程的优先级高于普通线程。操作系统每次从就绪队列中选择线程调度，占有cpu。
关于优先级，在TCB中有三个字段描述优先级：
A、        静态优先级，static_proi，和nice的值（-20~19）相关
B、        动态优先级,  proi
C、        实时优先级,  rt_priority
普通线程使用，A、B，实时线程使用的参数A、C。
在分时线程中，操作系统根据动态优先级选定下一个待执行的线程，静态优先级是动态优先级的一个基准。即B会在A的基础上浮动，同时A决定了线程调度的时间片。
在实时线程中，操作系统不计算动态优先级，只根据C即实时优先级选定下一个待执行的线程。如果是FIFO则没有时间片（要么主动放弃cpu、要么被高优先级线程抢占），如果RR，可以理解为带时间片轮转的FIFO。

1、        假设系统中只有：OTHER的线程，A、B、C、D、E、F…
那么系统会根据动态优先级高低来调用其中的线程，
动态优先级 = max（100， min（静态优先级 – bonus + 5， 139））（参考深入理解linux内核）。
同时每个线程执行的时间片，也是和静态优先级强相关的。

2、        假设系统中只有RR类型的线程，A、B、C、D、E、F…
操作系统每次调用就只会根据实时优先级的高低选择带执行的线程，假如A在执行，这个时候B等待的资源满足了，B的实时优先级比A高，那A就会B抢占。B结束有三种可能：1、B的时间用完了；2、B主动放弃cpu（等待某种资源）；3、B被更高优先级线程抢占。

3、假设系统中只有FIFO类型的线程，A、B、C、D、E、F….
        操作系统同样每次直选实时优先级最高的线程执行，假如A正在执行，这个时候B等待的资源满足了，B的优先级 >  A的优先级，那同样B就抢占A。B结束的条件是：1、主动放弃cpu；2、被更高优先级抢占。FIFO线程没有时间片的概念，如果需要它会一直占着cpu，直到被抢占或者主动放弃。

4、如果系统中三类线程都有会是什么情况呢？
首先，实时线程 > 普通线程，优先选择实时线程且普通线程还会被实时线程抢占。
实时线程中，选择优先级高的执行，在执行过程中，也会被更高优先级的线程抢占。假如有两个FIFO线程A和B，优先级都是80，如果A在执行且一直占用cpu，那么B就无法执行，产生饥饿，直到A主动放弃cpu。如果他们不是FIFO而是RR的，那么A和B就是时间片轮转执行，大家都有机会拿到cpu。

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参考：深入理解linux内核
      Linux内核设计与实现
           学堂在线，在线课程：《操作系统》—清华大学向勇