进程管理 - 进程、线程状态，死锁

进程、线程

为什么用线程

最重要的原因是可以线程之间可以共享进程的地址空间

比如一个软件，有三个不同的功能模块，需要并发执行，如果使用多进程的方式，那么就会存在一些问题：

进程之间的数据如何共享
维护进程的系统开销较大，如创建进程时，分配资源、建立 PCB；终止进程时，回收资源、撤销 PCB；进程切换时，保存当前进程的状态信息；

因此就有了线程，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。

线程的优点：

一个进程中可以同时存在多个线程；
各个线程之间可以并发执行；
同一个进程的各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；

线程与进程的比较

进程是资源（包括内存、打开的文件等）分配的单位，线程是 CPU 调度的单位；
进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈；
线程能减少并发执行的时间和空间开销；

线程相比进程能减少开销，体现在：

线程的创建时间比进程快，因为进程在创建的过程中，还需要内存管理信息等，而线程在创建的过程中，则不需要
线程的终止时间比进程快，因为线程释放的资源相比进程少很多；
同一个进程内的线程切换比进程切换快，因为线程具有相同的地址空间（虚拟内存共享）。而对于进程之间的切换，切换的时候需要切换地址空间，而这个切换过程开销是比较大的；

进程的上下文切换和线程的上下文切换：

进程的上下文切换包含了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的资源。
现成的上下文切换：
- 当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
- 当两个线程是属于同一个进程，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；

进程线程在JVM层面的区别

进程是操作系统中资源分配的最小单位，是独立的执行环境。在JVM中，一个Java应用程序实际上是一个独立的进程。每个Java进程都有自己独立的JVM实例，包括独立的Java堆、方法区、程序计数器等。由于每个Java进程都是独立的，它们之间不共享内存空间。如果需要在不同的Java进程之间共享数据，需要通过一些通信机制，如网络通信、文件共享等。
在JVM中，每个Java应用程序至少有一个线程，即主线程，用于执行main方法。除了主线程外，Java程序还可以创建额外的线程来执行并发任务。在JVM中，每个线程都会拥有独立的程序计数器（Program Counter，PC）、栈（Stack）和本地方法栈（Native Stack）。它们共享堆内存和方法区（Method Area），这样多个线程之间可以共享对象和类信息。

进程间的通信方式

每个进程的用户地址空间都是独立的，一般而言是不能互相访问的，但内核空间是每个进程都共享的，所以进程之间要通信必须通过内核。

线程间的通信方式呢？
同个进程下的线程之间都是共享进程的资源，只要共享变量都可以做到线程间通信，比如全局变量，所以对于线程间关注的不是通信方式，而是关注多线程竞争共享资源的问题，信号量也同样可以在线程间实现互斥与同步：

管道

管道，就是内核里面的一串缓存。管道只能一端写入，另一端读出。通信数据都遵循先进先出原则

管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。

消息队列

对于上面的问题，消息队列的通信模式就可以解决。

比如，A 进程要给 B 进程发送消息，A 进程把数据放在对应的消息队列后就可以正常返回了，B 进程需要的时候再去读取数据就可以了。同理，B 进程要给 A 进程发送消息也是如此。

但是消息队列通信过程中，存在用户态与内核态之间的数据拷贝开销，因为进程写入数据到内核中的消息队列时，会发生从用户态拷贝数据到内核态的过程，同理另一进程读取内核中的消息数据时，会发生从内核态拷贝数据到用户态的过程

共享内存

共享内存的机制，就是拿出一块虚拟地址空间来，映射到相同的物理内存中。这样这个进程写入的东西，另外一个进程马上就能看到了，都不需要拷贝来拷贝去，传来传去，大大提高了进程间通信的速度。解决了以上消息队列提出的问题

但是，如果多个进程同时修改同一个共享内存，就有可能发生冲突

信号量

所以，为了防止多进程竞争共享资源，造成的数据错乱，就需要保护机制，因此就有了信号量机制。信号量机制就是常说的PV操作：

P 操作，这个操作会把信号量减去 1，相减后如果信号量 < 0，则表明资源已被占用，进程需阻塞等待；相减后如果信号量 >= 0，则表明还有资源可使用，进程可正常继续执行。
V 操作，这个操作会把信号量加上 1，相加后如果信号量 <= 0，则表明当前有阻塞中的进程，于是会将该进程唤醒运行；相加后如果信号量 > 0，则表明当前没有阻塞中的进程；

信号量其实是一个整型的计数器，主要用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于缓存进程间通信的数据。

信号

上面说的进程间通信，都是常规状态下的工作模式。对于异常情况下的工作模式，就需要用「信号」的方式来通知进程。

信号跟信号量没什么关系

信号是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，因为可以在任何时候发送信号给某一进程，一旦有信号产生，我们就有下面这几种，用户进程对信号的处理方式。

执行默认操作。Linux 对每种信号都规定了默认操作，例如，SIGTERM 信号，就是终止进程的意思。
捕捉信号。可以为信号定义一个信号处理函数，当信号发生时，就执行相应的信号处理函数。
忽略信号。当不希望处理某些信号的时候，就可以忽略该信号，不做任何处理。有两个信号是应用进程无法捕捉和忽略的，即 SIGKILL 和 SEGSTOP，它们用于在任何时候中断或结束某一进程

Socket

前面提到方式都是在同一台主机上进行进程间通信，那要想**跨网络与不同主机上的进程之间通信，就需要 Socket 通信了。**当然了，Socket也可以同主机上进程通信

可根据创建 Socket 的类型不同，分为三种常见的通信方式，

基于 TCP 协议的通信方式
基于 UDP 协议的通信方式
本地进程间通信方式

线程的几种状态

新建
当用new关键字创建一个线程时，还没调用start 就是新建状态。
就绪
调用了 start 方法之后，线程就进入了就绪阶段。此时，线程不会立即执行run方法，需要等待获取CPU资源。
运行
当线程获得CPU时间片后，就会进入运行状态，开始执行run方法。
阻塞
当遇到以下几种情况，线程会从运行状态进入到阻塞状态。
- 调用sleep方法，使线程睡眠。
- 调用wait方法，使线程进入等待。
- 当线程去获取同步锁的时候，锁正在被其他线程持有。
- 调用阻塞式IO方法时会导致线程阻塞。
- 调用suspend方法，挂起线程，也会造成阻塞。
  需要注意的是，阻塞状态只能进入就绪状态，不能直接进入运行状态。因为，从就绪状态到运行状态的切换是不受线程自己控制的，而是由线程调度器所决定。只有当线程获得了CPU时间片之后，才会进入运行状态。
死亡
当run方法正常执行结束时，或者由于某种原因抛出异常都会使线程进入死亡状态。另外，直接调用stop方法也会停止线程。但是，此方法已经被弃用，不推荐使用。