1.进程和线程
1.进程管理
1.1Java里的进程有哪些状态？
新建状态(New)：新创建了一个线程对象。
就绪状态(Runnable)：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于“可运行线程池”中，变得可运行，只等待获取CPU的使用权。即在就绪状态的进程除CPU之外，其它的运行所需资源都已全部获得。
运行状态(Running)：就绪状态的线程获取了CPU，执行程序代码。
阻塞状态(Blocked)：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：
等待阻塞：运行的线程执行wait()方法，该线程会释放占用的所有资源，JVM会把该线程放入“等待池”中。进入这个状态后，是不能自动唤醒的，必须依靠其他线程调用notify()或notifyAll()方法才能被唤醒， 同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入“锁池”中。 其他阻塞：运行的线程执行sleep()或join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时、join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。
终止状态(Dead)：线程执行完了或者因异常退出了run()方法，该线程结束生命周期。
1.2进程的控制结构
在操作系统中，是用进程控制块（process control block，PCB）数据结构来描述进程的。
PCB 是进程存在的唯一标识，这意味着一个进程的存在，必然会有一个 PCB，如果进程消失了，那么 PCB 也会随之消失。
PCB 具体包含:
进程描述信息：
- 进程标识符：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符；
- 用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务；
进程控制和管理信息：
- 进程当前状态，如 new、ready、running、waiting 或 blocked 等；
- 进程优先级：进程抢占 CPU 时的优先级；
资源分配清单：
- 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息，所打开文件的列表和所使用的 I/O 设备信息。
CPU 相关信息：
- CPU 中各个寄存器的值，当进程被切换时，CPU 的状态信息都会被保存在相应的 PCB 中，以便进程重新执行时，能从断点处继续执行。
通常是通过链表的方式进行组织，把具有相同状态的进程链在一起，组成各种队列。比如：
- 将所有处于就绪状态的进程链在一起，称为就绪队列；
- 把所有因等待某事件而处于等待状态的进程链在一起就组成各种阻塞队列；
1.3进程的上下文切换
一个进程切换到另一个进程运行，称为进程的上下文切换。
CPU 上下文切换:CPU 寄存器和程序计数是 CPU 在运行任何任务前，所必须依赖的环境，这些环境就叫做 CPU 上下文。
进程是由内核管理和调度的，所以进程的切换只能发生在内核态。
进程的上下文切换不仅包含了虚拟内存、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。
2.线程管理
2.1为什么使用线程？
多进程的这种方式，依然会存在问题：
- 进程之间如何通信，共享数据？
- 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；
那到底如何解决呢？需要有一种新的实体，满足以下特性：
- 实体之间可以并发运行；
- 实体之间共享相同的地址空间；
这个新的实体，就是线程( *Thread* )，线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间。
2.2什么是线程？
线程是进程当中的一条执行流程。
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；
- 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源；
线程的缺点：
- 当进程中的一个线程崩溃时，会导致其所属进程的所有线程崩溃（这里是针对 C/C++ 语言，Java语言中的线程奔溃不会造成进程崩溃）
2.3线程与进程的比较
线程与进程的比较如下：
- 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；
- 线程同样具有就绪、阻塞、执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
- 线程能减少并发执行的时间和空间开销；
对于，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，还需要资源管理信息，比如内存管理信息、文件管理信息，而线程在创建的过程中，不会涉及这些资源管理信息，而是共享它们；
- 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），这意味着同一个进程的线程都具有同一个页表，那么在切换的时候不需要切换页表。而对于进程之间的切换，切换的时候要把页表给切换掉，而页表的切换过程开销是比较大的；
- 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，那么在线程之间数据传递的时候，就不需要经过内核了，这就使得线程之间的数据交互效率更高了；
所以，不管是时间效率，还是空间效率线程比进程都要高。
线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。
2.4调度算法
2.4.1先来先服务调度算法
顾名思义，先来后到，每次从就绪队列选择最先进入队列的进程，然后一直运行，直到进程退出或被阻塞，才会继续从队列中选择第一个进程接着运行。
这似乎很公平，但是当一个长作业先运行了，那么后面的短作业等待的时间就会很长，不利于短作业。
FCFS 对长作业有利，适用于 CPU 繁忙型作业的系统，而不适用于 I/O 繁忙型作业的系统。
2.4.2最短作业优先调度算法
最短作业优先（*Shortest Job First, SJF*）调度算法同样也是顾名思义，它会优先选择运行时间最短的进程来运行，这有助于提高系统的吞吐量。
这显然对长作业不利，很容易造成一种极端现象。
2.4.3高响应比优先调度算法
每次进行进程调度时，先计算「响应比优先级」，然后把「响应比优先级」最高的进程投入运行，「响应比优先级」的计算公式：
很多人问怎么才能知道一个进程要求服务的时间？这不是不可预知的吗？
对的，这是不可预估的。所以，高响应比优先调度算法是「理想型」的调度算法，现实中是实现不了的。
2.4.4时间片轮转调度算法
每个进程被分配一个时间段，称为时间片（*Quantum*），即允许该进程在该时间段中运行。
- 如果时间片用完，进程还在运行，那么将会把此进程从 CPU 释放出来，并把 CPU 分配给另外一个进程；
- 如果该进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 立即进行切换；
2.4.5最高优先级调度算法
进程的优先级可以分为，静态优先级和动态优先级：
- 静态优先级：创建进程时候，就已经确定了优先级了，然后整个运行时间优先级都不会变化；
- 动态优先级：根据进程的动态变化调整优先级，比如如果进程运行时间增加，则降低其优先级，如果进程等待时间（就绪队列的等待时间）增加，则升高其优先级，也就是随着时间的推移增加等待进程的优先级。
该算法也有两种处理优先级高的方法，非抢占式和抢占式：
- 非抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，运行完当前进程，再选择优先级高的进程。
- 抢占式：当就绪队列中出现优先级高的进程，当前进程挂起，调度优先级高的进程运行。
但是依然有缺点，可能会导致低优先级的进程永远不会运行。
2.4.6多级反馈队列调度算法
顾名思义：
- 「多级」表示有多个队列，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短。
- 「反馈」表示如果有新的进程加入优先级高的队列时，立刻停止当前正在运行的进程，转而去运行优先级高的队列；
来看看，它是如何工作的：
- 设置了多个队列，赋予每个队列不同的优先级，每个队列优先级从高到低，同时优先级越高时间片越短；
- 新的进程会被放入到第一级队列的末尾，按先来先服务的原则排队等待被调度，如果在第一级队列规定的时间片没运行完成，则将其转入到第二级队列的末尾，以此类推，直至完成；
- 当较高优先级的队列为空，才调度较低优先级的队列中的进程运行。如果进程运行时，有新进程进入较高优先级的队列，则停止当前运行的进程并将其移入到原队列末尾，接着让较高优先级的进程运行；
3.进程间通信
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。
3.1管道
如果你学过 Linux 命令，那你肯定很熟悉「|」这个竖线。
ps auxf | grep mysql
上面命令行里的「|」竖线就是一个管道，它的功能是将前一个命令（ps auxf）的输出，作为后一个命令（grep mysql）的输入，从这功能描述，可以看出管道传输数据是单向的，如果想相互通信，我们需要创建两个管道才行。
同时，我们得知上面这种管道是没有名字，所以「|」表示的管道称为匿名管道，用完了就销毁。
管道还有另外一个类型是命名管道，也被叫做 FIFO，因为数据是先进先出的传输方式。
我们可以看出，管道这种通信方式效率低，不适合进程间频繁地交换数据。当然，它的好处，自然就是简单，同时也我们很容易得知管道里的数据已经被另一个进程读取了。
匿名管道的创建，需要通过下面这个系统调用：int pipe(int fd[2])。
注意，这个匿名管道是特殊的文件，只存在于内存，不存于文件系统中。
其实，所谓的管道，就是内核里面的一串缓存。从管道的一段写入的数据，实际上是缓存在内核中的，另一端读取，也就是从内核中读取这段数据。另外，管道传输的数据是无格式的流且大小受限。
在 shell 里面执行 A | B命令的时候，A 进程和 B 进程都是 shell 创建出来的子进程，A 和 B 之间不存在父子关系，它俩的父进程都是 shell。
3.2消息队列
消息队列是保存在内核中的消息链表，在发送数据时，会分成一个一个独立的数据单元，也就是消息体（数据块），消息体是用户自定义的数据类型，消息的发送方和接收方要约定好消息体的数据类型，所以每个消息体都是固定大小的存储块，不像管道是无格式的字节流数据。如果进程从消息队列中读取了消息体，内核就会把这个消息体删除。
消息队列生命周期随内核，如果没有释放消息队列或者没有关闭操作系统，消息队列会一直存在，而前面提到的匿名管道的生命周期，是随进程的创建而建立，随进程的结束而销毁。
3.3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。
3.4信号量
为了防止多进程竞争共享资源，而造成的数据错乱，所以需要保护机制，使得共享的资源，在任意时刻只能被一个进程访问。正好，信号量就实现了这一保护机制。
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。
信号量表示资源的数量，控制信号量的方式有两种原子操作：
- 一个是 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。
- 另一个是 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；
P 操作是用在进入共享资源之前，V 操作是用在离开共享资源之后，这两个操作是必须成对出现的。
通信方式：
- 管道/匿名管道(Pipes) ：用于具有亲缘关系的父子进程间或者兄弟进程之间的通信。
- 有名管道(Named Pipes) : 匿名管道由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道。有名管道严格遵循 先进先出(First In First Out) 。有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。
- 信号(Signal) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生；
- 消息队列(Message Queuing) ：消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识。管道和消息队列的通信数据都是先进先出的原则。与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显式地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比 FIFO 更有优势。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺点。
- 信号量(Semaphores) ：信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步。这种通信方式主要用于解决与同步相关的问题并避免竞争条件。
- 共享内存(Shared memory) ：使得多个进程可以访问同一块内存空间，不同进程可以及时看到对方进程中对共享内存中数据的更新。这种方式需要依靠某种同步操作，如互斥锁和信号量等。可以说这是最有用的进程间通信方式。
- 套接字(Sockets) : 此方法主要用于在客户端和服务器之间通过网络进行通信。套接字是支持 TCP/IP 的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。
4.互斥同步
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。
由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区（critical section），它是访问共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行。
下面是几种常见的线程同步的方式：
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
在进程/线程并发执行的过程中，进程/线程之间存在协作的关系，例如有互斥、同步的关系。
为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供实现进程协作的措施和方法，主要的方法有两种：
- 锁：加锁、解锁操作；
- 信号量：P、V 操作；
这两个都可以方便地实现进程/线程互斥，而信号量比锁的功能更强一些，它还可以方便地实现进程/线程同步。
4.1死锁的概念
死锁只有同时满足以下四个条件才会发生：
- 互斥条件:互斥条件是指多个线程不能同时使用同一个资源。
- 持有并等待条件:持有并等待条件是指，当线程 A 已经持有了资源 1，又想申请资源 2，而资源 2 已经被线程 C 持有了，所以线程 A 就会处于等待状态，但是线程 A 在等待资源 2 的同时并不会释放自己已经持有的资源 1。
- 不可剥夺条件:不可剥夺条件是指，当线程已经持有了资源 ，在自己使用完之前不能被其他线程获取，线程 B 如果也想使用此资源，则只能在线程 A 使用完并释放后才能获取。
- 环路等待条件:环路等待条件指的是，在死锁发生的时候，两个线程获取资源的顺序构成了环形链。
4.2避免死锁问题的发生
那么避免死锁问题就只需要破环其中一个条件就可以，最常见的并且可行的就是使用资源有序分配法，来破环环路等待条件。
那什么是资源有序分配法呢？
线程 A 和 线程 B 获取资源的顺序要一样，当线程 A 是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B 的时候，线程 B 同样也是先尝试获取资源 A，然后尝试获取资源 B。也就是说，线程 A 和 线程 B 总是以相同的顺序申请自己想要的资源。
我们使用资源有序分配法的方式来修改前面发生死锁的代码，我们可以不改动线程 A 的代码。
我们先要清楚线程 A 获取资源的顺序，它是先获取互斥锁 A，然后获取互斥锁 B。
所以我们只需将线程 B 改成以相同顺序的获取资源，就可以打破死锁了。