和性能有关的几个操作系统相关的概念

古城微笑少年丶 2022-05-17 08:07 282阅读 0赞

##### 进程的状态切换 #####

*  创建状态：进程在创建时需要申请一个空白PCB，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
 *  就绪状态：进程已经准备好，已分配到所需资源，只要分配到CPU就能够立即运行
 *  执行状态：进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
 *  阻塞状态：正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
 *  终止状态：进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行
    
    > 如果进程运行时间片使用完也会进入就绪状态。
 *  状态切换
    
     *  就绪–>执行：处在就绪状态的进程，当调度器为其分配了处理机后，就变成了执行状态。
     *  执行–>就绪：执行状态的进程在其执行过程中，时间片跑完了不得不让出处理机，于是从执行变成就绪状态。
     *  执行–>阻塞：正在执行的进程等待某种事件而无法继续执行时，便从执行状态变成阻塞状态。
     *  阻塞–>就绪：处在阻塞状态的进程，如果等待的时间发生，则从阻塞状态转变成就绪状态。

##### Linux下的进程状态 #####

static const char * const task_state_array[] = {
    "R (running)", /* 0 */
    "S (sleeping)", /* 1 */
    "D (disk sleep)", /* 2 */
    "T (stopped)", /* 4 */
    "t (tracing stop)", /* 8 */
    "X (dead)", /* 16 */
    "Z (zombie)", /* 32 */
    };

*  R- -可执行状态（运行状态）  
    
    
     *  只有在运行状态的进程才有可能在CPU上运行，注意是可能，并不意味着进程一定在运行中。同一时刻可能有多个进程处在可执行状态，这些进程的PCB（进程控制块）被放入对应CPU的可执行队列中。然后进程调度器从各个可执行队列中分别选择一个进程在CPU上运行。  
        另外如果计算机只有一个处理器，那么一次最对只有一个进程处于这种状态。
 *  S- -可中断睡眠状态（sleeping）  
    
    
     *  处在这个状态意味着进程在等待事件完成。这些进程的PCB（task\_struct结构）被放入对应时间的等待队列中。然后等待的事件发生时，对应的进程将被唤醒。
 *  D- -不可中断睡眠（disk sleep）  
    
    
     *  在这个状态的进程通常会等待IO的结束。 这个状态与sleeping状态相似，处于睡眠状态，但是此刻进程是不可中断的，意思是不响应异步信号。 另外你会发现处在D状态的进程kill -9竟然也杀不死。这就相当于我们怎么也叫不醒一个装睡的人。
 *  T- -暂停状态  
    
    
     *  给进程发送一个SIGSTOP信号，进程就会响应信号进入T状态，除非该进程正处在D状态。 再通过发送SIGCONT信号让进程继续运行。 kill -SIGSTOP ，kill -SIGCONT
 *  Z- -僵死状态  
    
    
     *  僵死状态是一个比较特殊的状态。进程在退出的过程中，处于TASK\_DEAD状态。 在这个退出过程中，进程占有的所有资源将被回收，除了task\_struct结构（以及少数资源）以外。于是进程就只剩下task\_struct这么个空壳，故称为僵尸。
 *  X- -死亡状态或退出状态（dead）  
    
    
     *  死亡状态是内核运⾏ kernel/exit.c ⾥的 do\_exit() 函数返回的状态。这个状态只是⼀个返回状态，你不会在任务列表看到这个状态

##### 中断的类型 #####

*  中断类型分为如下两大类：  
    
    
     *  强迫性中断：正在运行的程序所不期望的，来自硬件故障或外部请求。  
        
        
         *  I/O 中断：来自外部设备通道；
         *  程序性中断：运行程序本身的中断，如 溢出、缺页中断、缺段中断、地址越界。
         *  时钟中断：对某中央处理机而言，他的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。
         *  控制台中断：对某中央处理机而言，他的外部非通道式装置所引起的中断称为外部中断。
         *  硬件故障：例如:电源故障、通道与主存交换信息是主存储错、从主存取指令出错、取数据错、长线传输时的奇偶校验错等。
     *  自愿性中断：用户在编程时要求操作系统提供的服务，使用访管指令或系统调用使中断发生。也称为访管中断。包括执行I/O，创建进程，分配内存，信号量操作，发送/接收消息。

##### CPU上下文切换 #####

*  上下文切换：现在linux是大多基于抢占式，CPU给每个任务一定的服务时间，当时间片轮转的时候，需要把当前状态保存下来，同时加载下一个任务，这个过程叫做上下文切换。时间片轮转的方式，使得多个任务利用一个CPU执行成为可能，但是保存现场和加载现场，也带来了性能消耗
 *  上下文切换的性能消耗：context switch过高，会导致CPU像个搬运工，频繁在寄存器和运行队列之间奔波 ，更多的时间花在了线程切换，而不是真正工作的线程上。直接的消耗包括CPU寄存器需要保存和加载，系统调度器的代码需要执行。间接消耗在于多核cache之间的共享数据。
 *  引起上下文切换的原因  
    
    
     *  当前任务的时间片用完之后，系统CPU正常调度下一个任务；
     *  当前任务碰到IO阻塞，调度线程将挂起此任务，继续下一个任务；
     *  多个任务抢占锁资源，当前任务没有抢到，被调度器挂起，继续下一个任务；
     *  用户代码挂起当前任务，让出CPU时间；
     *  硬件中断；
 *  查看每个进程和线程上下文切换的方法  
    
    
     *  使用pidstat

[root@localhost manjingliu]# pidstat -wt -p 1
    Linux 3.10.0-862.9.1.el7.x86_64 (localhost.localdomain) 08/08/2018 _x86_64_ (2 CPU)
    
    06:35:59 PM UID TGID TID cswch/s nvcswch/s Command
    06:35:59 PM 0 1 - 0.11 0.24 systemd
    06:35:59 PM 0 - 1 0.11 0.24 |__systemd
    cswch/s: 每秒任务主动(自愿的)切换上下文的次数，当某一任务处于阻塞等待时，将主动让出自己的CPU资源。
    nvcswch/s: 每秒任务被动(不自愿的)切换上下文的次数，CPU分配给某一任务的时间片已经用完，因此将强迫该进程让出CPU的执行权。

*  查看proc信息

[root@localhost manjingliu]# grep ctxt /proc/1/status   
    voluntary_ctxt_switches: 1277 #自愿的上下文切换
    nonvoluntary_ctxt_switches: 2674 #非自愿的上下文切换

##### linux线程的定位 #####

*  linux的线程是用进程模拟的
 *  测试代码如下：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/syscall.h>
    
    #define getid() syscall(SYS_gettid)
    
    void * func(void *arg)
    {
        printf("tid is %d\n", getid());
        while (1) sleep(1);
        return NULL;
    }
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        pthread_t thr1, thr2;
        if(pthread_create(&thr1,NULL,func, NULL)!=0) {
            printf("create thread failed!\n");
            return;
        }
    
        if(pthread_create(&thr1,NULL,func, NULL)!=0) {
            printf("create thread failed!\n");
            return;
        }
        printf("main tid is %d\n", getid());
    
        while (1) sleep(1);
     exit(0);
    }
    
    result:
    [root@localhost part_8]# ./tid
    main tid is 1723
    tid is 1725
    tid is 1724

*  使用top查看如下图：  
    ![top查看线程][top]

[top]: /images/20220517/657272c5d5e048adb00a16c4bbbfbc8e.png