「现代操作系统-原理与实现」中关于进程、线程、协程的介绍解决了我很多以前看「操作系统概念」产生的疑惑，整理出这份笔记以备查阅，当然还有欠缺，以后慢慢完善
进程
进程是运行中的程序。不同进程之间的有独立地址空间、数据段/代码段、堆、栈等。进程切换时，需要将PID、进程状态、虚拟内存状态、打开文件、寄存器状态等等信息保存在 PCB （进程控制块）中，然后由调度器选择下一个要执行的进程切换到它的上下文（恢复寄存器中存储的值）开始执行；要继续执行被切换的进程时，就要进入内核态读取PCB中的信息来将进程的状态恢复，然后回到用户态继续执行。
进程间通信简记
书中介绍了宏内核和微内核两种场景下的进程间通信方法1，不过我们一般说的进程间通信方法都是指宏内核中的通信。至于什么是微内核，有什么具体应用场景，我们以后有机会再探讨，这里主要介绍宏内核下的典型进程间通信机制2。
- 管道
- 匿名管道：通过系统调用pipe创建两个文件描述符，两个进程按读写文件的方式从管道中获取/写入数据，通常用在 fork 之后父子进程的通信。因为管道只能通过文件描述符来使用，如果是两个独立的进程，它们之间无法共享这个文件描述符（比如pipe由进程1创建，进程2要与进程1通信却需要进程1先告诉它通过哪个文件描述符来通信，这不死锁了吗）
- 命名管道：我们可以用命名管道解决上述问题，用 mkfifo 创建一个命名管道。它可以绑定一个文件名，只要两个进程约定好使用同一个文件名就可以使用该管道（前面pipe得到的文件描述符是随机的）。
- 消息队列：可以用 msgget 在内核中创建一个消息队列，通过
msgsnd/msgrcv来读写数据，支持同时存在多个读者和写者。发送和接受数据时内核会通过copy_from_user/copy_to_user将数据移动到内核/用户空间，会有拷贝开销。 - 信号量：用于同步进程的执行顺序，一般由内核维护一个整型计数器作为信号量，而对该信号量的PV操作需要经由系统调用进行。 // TODO：具体接口以及使用方法
- 共享内存进程间通信：通过共享内存实现进程间通信，也就是将多个进程的虚拟地址空间映射到相同的物理内存也，可以减少数据拷贝的次数，因此往往更高效。但是如果读者写者直接通过读写共享内存中的数据结构，还需要考虑并发访问（可使用信号量或信号）、不同进程虚拟地址控制不同，数据中的指针会失效（不要传递指针以及指针相关的数据）等问题。
- 信号：可以实现单向的事件通知，将一个事件发送到特定进程、线程或进程组，使切换到对应的处理函数来响应信号事件。用户可以定义自己的信号处理函数，但是因为在执行信号处理函数期间依然可能被新的信号打断去执行一次新的信号处理，所以需要信号处理函数是可重入的。
- socket
曾看到这样的说法，说进程是分配资源的最小单位。觉得有些不对劲，仔细想了想，觉得疑问出在”资源“的范围究竟是什么。如果说是内存、寄存器、文件描述符等，那么似乎确实是（等下，线程之间对寄存器的使用好像是独立的？）。但是CPU是否也应该算是一种资源呢？线程才是CPU调度的最小单位，既然每个线程获得的CPU资源是独立的，那么我觉得就不应该说进程是资源分配的最小单位，或者需要进行补充说明，比如指明”资源“的定义。这里主要问题还是出在对于内核的理解太肤浅，对于进程和线程创建是需要分配什么、操作系统需要做什么工作理解不到位，希望之后通过一些公开课的实验能加深这方面的了解吧。
线程
因为进程创建时，需要创建独立的虚拟地址空间，初始化堆栈等，开销较大；另外进程的地址空间是独立的，进程之间通信也比较麻烦，因此操作系统设计人员在进程内部引入了线程。线程共享进程内部的地址空间，但是拥有自己的栈和自己执行的上下文状态。引入线程之后，线程就取代进程成为操作系统调度的最小单元。
切换时也需要保存线程执行的上下文到TCB中，但通常认为线程间切换的开销比进程开销小。以我目前的了解来看，虽然进程和线程切换都需要进入内核态读取PCB/TCB，但是进程切换意味着页表映射的改变，//* TODO:虚拟内存需要更多介绍 *//，一二三级缓存和TLB中会产生较多 miss，这贡献了进程切换中相当大一部分时间消耗，如果内存空间不足，置换页会产生更大的开销；而同一个进程中的线程发生上下文切换时，因为共享内存空间，不太容易产生缓存miss的情况。
线程的栈在x86-64架构下默认为2MB大小，函数内的局部变量都在栈上分配，如果创建过大的局部变量或者递归层数太深就会出现经典的 stackoverflow 错误（本以为golang的栈会动态扩容，搜索了一下发现还是能造出stackoverflow，参见这里）
憨憨如我以前还在想为什么线程之间不需要通信，后来发现线程共享地址空间，只要解决竞争访问进程内的全局数据问题就行（可通过互斥锁、读写锁、条件变量等），所以一般我们说进程间通信，线程间同步。当然这里说的是同属一个进程的线程之间，如果与其他进程下的线程进行交互，则变为进程之间通信问题。
线程栈的大小
在我的电脑上做了点测试（参考自这个博客），首先arch输出x86_64，说明是x86_64架构的；ulimit -a查看到默认栈大小为8192 kb，8MB（而不是x86的2MB）。然后我写了个死循环的程序，在运行的时候去看 /proc/[pid]/maps 文件，却得到的是这样的结果
这里看到的 stack size 是136KB，跟前面说的 x86_64 架构默认2MB以及刚刚查的 Linux 默认栈大小 8MB 都对不上。后来发现 maps 存的是虚拟内存的映射情况，应该不是我想要的能直接看到实际 stack 大小。想想干脆直接在 main 函数里开辟一个8MB的数组看结果，结果确实直接 stackoverflow 了；如果开7.5MB差不多能开得下，侧面粗略证明 Linux 的stack大小是8MB，虽然 x86 默认是 2MB 但是 Linux 应该是创建线程是传入了 ulimit 设定的参数改为了8MB。
// TODO： /proc/[pid]/maps 其他字段含义和用途
// TODO： 更精细的查看一个helloworld程序会占用多大的栈空间（catch异常，然后尝试开一个更小的数组）
协程
Linux和Windows的线程都是内核态与用户态一对一映射的，操作系统会对内核线程的数量做限制。有些应用场景需要大量 short-lived 线程来响应请求，比如Web应用，这些线程实际使用的内存并不多，使用默认大小的栈空间导致创建线程的总数也受到限制（加上操作系统对线程数量的限制），导致应用的并发数受限。
另外一对一模型其实相当于线程的调度都由操作系统控制，应用程序比操作系统更了解程序执行的语义信息，也许会比操作系统做出更合理的调度（想起数据库自己实现BufferPool也基于类似的考虑），所以协程的使用逐渐多了起来。
线程切换时要进入内核态执行代码（我理解为跳转到线程中在用户态时不可见的一块区域，也就是某块内核区域的代码执行，这当然是有开销的）；但是协程切换只用保存用户态的TCB（如golang中的g结构体），不涉及内核态和用户态的切换，因此比内核线程切换开销要小（协程切换时内核线程一直在干活，线程切换时两个线程换班）。
扩展：Goroutine的调度
前面提到的协程有些可能是操作系统本身支持的（比如POSIX的ucontext，//* 也许要更新更多说明 *//），而一些编程语言也实现了协程，如golang在编程语言层面提供了对协程的支持，它实现了自己的调度器，通过GMP模型组织协程的调度3。
G -> goroutine，一个存储用户态线程状态的结构体，也可理解为一个任务
M -> machine，代表操作系统线程
P -> processor，实际上是一个线程本地的 goroutine 的队列，每个 P 会与一个 M 绑定，负责调度队列中的 goroutine
特殊结构：
g0 -> 每个 M 用来调度的 goroutine，我的理解是当正在执行的 goroutine 结束运行或阻塞时，就轮到 g0 运行来选择下一个要执行的 goroutine
m0 -> 初始的 M 线程，创建第一个 g 后作为普通 m 使用
概括goroutine调度的过程：一般来说会根据CPU核心数量创建等数量的P，然后每个P与一个M绑定，M从P的任务队列中取出 g 开始执行。正在执行的G如果创建了新的 g，就存到P的本地队列中，每个P最多存放256个 g，超出该数量的 g 会放到全局队列中。当一个P没有任务可以执行时，会先到全局队列中寻找等待执行的 g；如果全局队列也为空，则尝试从其他P中偷取队列前一半的 g 放到自己队列中执行。
如果某个M执行 g 时进入了阻塞，则P会寻找一个新的空闲线程绑定，开始执行剩下的 g。当这个 M 从阻塞中恢复时，它也会尝试绑定一个空闲的P继续执行（猜想此时造成阻塞的 g 应该放到队列尾，比较符合队列的特性，因为实际底层数据结构是一个数组实现的循环队列；如果有什么证据表明放到队列头更合适的话那也可以考虑），如果没有的话就把 g 放入全局队列，M陷入休眠。
golang协程的栈初始大小为2KB，会在执行过程中动态扩容或缩小，不过还是有上限，为1GB。
// TODO：该上限应该也可以调吧？待验证
The End
说起来，我只想简简单单看一看协程切换时，都需要保存什么状态，比如会保存什么寄存器状态、goroutine状态之类的信息，为什么没有一篇博客能直截了当告诉我呢？快看吐了我要。
那么根据我的理解，协程切换时，所有的上下文信息都保存 g 结构体里，粗略看了一眼源码几乎全都是各种指针、整型和 bool，还有栈指针以及偏移量等，如果用户态线程切换要拷贝这个看起来不大的结构体的话，那么这部分开销确实没有多少。
有点明白了，进程切换除了要切换寄存器等上下文信息，通常还要伴随着页表切换？// TLB cache miss // TODO：要更详细 而线程切换比起协程切换，主要的开销在于线程切换要进入内核态，内核态和用户态之间切换的开销
// TODO: 用户态和内核态的定义
进程创建需要消耗什么： 开辟自己的虚拟内存空间（需要分配多少内存吗？）
进程间切换的开销有什么：
线程创建需要消耗什么： 共享进程的内存空间，但是需要开辟独立的栈
线程间切换的开销有什么：