概述

        cpu 运行速度特别快，但是IO等资源比较慢，cpu多数时间都在等待，为了提高cpu 的利用率。提出了进程的概念。当一个进程阻塞后，切换到另一个进程来提高cpu的利用率。操作系统就是通过进程来管理cpu的。

进程

程序是静态的，进程是描述程序动态的程序。存放运行中的状态。cpu跑多个进程的状态，就是cpu 管理。

多进程如何组织

PCB+状态+队列

PCB

PCB:就是这个进程在操作系统中的“身份证”和“个人档案”。通常包含如下信息：

1. 进程标识信息（我是谁？）
2. 处理机状态信息（我现在的状态是什么？）
3. 进程调度信息（我排在哪？优先级多高？）
4. 进程控制信息（我有什么资源？）

进程状态

队列

上述每一个线程状态对应一种队列，这种状态的线程都在该队列里。

多进程如何交替

调度器从“就绪队列”里挑出一个进程，把它的 PCB 里的寄存器数据恢复到 CPU 中，让它开始运行。那么就绪队列中有很多就绪的进程，如何确定取哪一个进程，这就涉及到了调度算法。

调度算法

在就绪队列中有多个进程，应该选取哪一个。系统中的任务 大体分为两类 一类是CPU密集型任务，另一类是IO密集型任务。因此算法既要照顾cpu密集型任务也要照顾IO密集型任务。不能让一个任务一直运行，其他任务一直等待。最好是在调用cpu密集型任务时，把IO密集型任务调度起来。下面是一些常见的算法：

FCFS

先进先出

• 原理：就像排队买票一样，谁先提交任务，谁就先获得 CPU 资源。
• 特点：算法极其简单、公平。但它的致命缺点是对短作业不友好。如果前面来了一个执行时间很长的任务，后面一堆只需几毫秒的短任务就只能干等（这被称为“护航效应”）。

SJF 短作业优先

提高周转时间（cpu处理时间）

• 原理：优先挑选预计执行时间最短的任务来运行。
• 特点：正如你提到的，它能最大限度地降低平均等待时间和平均周转时间，整体吞吐量高。但缺点是可能导致“饥饿”——如果系统里一直有短任务进来，长任务可能永远轮不到执行。

轮转调度

提高响应时间

• 原理：给每个任务分配一个固定的时间片（比如 10ms）。时间片用完，即使任务没执行完，也会被强制暂停并放回就绪队列尾部，等下一轮。
• 特点：它是专门为分时系统设计的，能极大地提高系统的响应时间，让每个用户都感觉系统在同时为自己服务。不过，如果时间片设置得太小，频繁的上下文切换反而会浪费 CPU 性能。

设置优先级

设置优先级，任务的优先级应该动态执行。为了避免某一个进程一直在运行，还需要加入时间片机制。

以下是liunx 0.11 调度算法，动态设置优先级，避免优先级低的任务得不到执行。

yoid
Schedule(yoid)
{ while(1){ c-1;next0;iNR TASKS;
P=&taskINR TASKS];
while(--i){ if((*p->state = TASK RUNNING&&(*p)->counter>c)
c=(*p)->counter，next=i;
if(c)break;//找到了最大的counter
for(p=&LAST TASK;P>&FIRST TASK;--p
(*p)->counter=((*p)
>Counter>>1
+(*p)->priority;)
switch to(next);}

• counter保证了响应时间的界
• 经过io以后， counter就会变大；10时间越长， counter越大（为什么？),照顾了io进程，变相的照顾了前台进程
• 后台进程一直按照counter轮转，近似了sjf调度
• 每个进程只用维护一个counter变量， 简单， 高效

进程切换

把正在执行进程中的信息放到PCB 中，把新的进程的PCB 加载到寄存器中。

多进程同时存在内存会出现两个进程同时读取同一个内存，这就是需要映射表（映射表），把内存分块。

进程的切换分为两个部分：线程的切换，和资源的切换。

用户级线程

线程

进程=资源+指令执行序列

线程=指令执行序列

和进程相比线程更轻，切换更快，一个进程通常包含多个进程。

用户级线程

本质就是切换指令而不切换资源。

用户级线程：

优点

整个过程没有系统调用，没有上下文切换的开销，也没有内存映射的切换，纯粹是在用户态内存里拷贝几个寄存器的值，速度极快

缺点

因为内核不知道它的存在，所以内核只给这个进程分配了一个 CPU 核心。这意味着，即使你的电脑有 16 核，用户级线程也无法利用多核并行。而且，只要其中一个线程发起了系统调用（比如读文件），整个进程都会被内核挂起，导致其他所有线程跟着一起阻塞。

内核级线程

内核级线程示例图：

内核级线程切换

是两套栈进行切换，内核栈切换，对应的用户栈也要切。一般切换过程：“用户态 -> 内核态 -> 用户态”

如果线程中断就启用内核栈。首先先TCB 进行切换，然后内核栈进行切换，最后用户栈进行切换。这就完成了核心级线程的切换

用户级线程和内核级线程对比

时钟中断

为每个进程分配时间片，时间片结束，进程切换。从而实现一台电脑上打开多个程序。

java中的用户线程和核心级线程

• 从 JDK 1.2 开始，Java 放弃了早期的“绿色线程”，主流 JVM（如 HotSpot）全面采用了基于操作系统原生线程的 1:1 内核级线程模型。
• JDK 21 并没有抛弃内核级线程，而是将两者结合。虚拟线程（用户级）负责提供极致的轻量和海量并发能力，而平台线程（内核级）则作为底层基石，负责与操作系统交互并充分利用多核 CPU 的并行能力。它采用了 M:N 混合模型。即大量（M）的虚拟线程会被挂载到少量（N）的平台线程（即底层的内核级线程）上执行。