线程、进程基础知识

进程：具有一定独立功能的程序在一个数据集合一次动态执行的过程。

• 是操作系统对处于执行状态的程序的抽象 - 是程序的执行，是暂时的（一个状态变化的过程）

• 由程序、数据、进程控制块组成

• 包含了一个正在运行的程序的所有信息

  • 动态性：可动态地创建、结束进程
  • 并发性：可被独立调度，占用处理机处理
  • 独立性：不同进程的工作不互相影响
  • 制约性：因访问共享数据、资源或进程间同步而产生制约

• 进程控制块（PCB）：控制、管理进程运行所需的信息集合

  • 是进程存在的唯一标志，在操作系统中，每个进程有一个对应的PCB
  • 在进程创建时生成，进程终止时回收
  • 通过对PCB的组织管理来实现对进程的组织管理
    • 调度和状态信息：调度进程和处理机使用情况
    • 进程间通信信息：进程间通信相关的标识
    • 存储管理信息：指向进程映像存储空间数据结构
    • 进程所用资源：进程使用的系统资源
    • 有关数据结构连接信息：PCB相关的进程队列
  • 同一状态的进程的PCB成一链表，各状态进程形成不同的链表。就绪链表、阻塞链表...
  • 同一状态的进程归入一个索引表（索引指向PCB），各状态的进行形成不同的索引表。就绪索引表、阻塞索引表...

• 三状态进程模型

  • 就绪状态
  • 等待状态
  • 运行状态

  

• 挂起进程模型

  • 处于挂起状态的进程映像在磁盘上，目的是减少进程占用内存
  • 等待挂起状态：进程在外存，等待某事件的出现
  • 就绪挂起状态：进程在外存，进入内存即可运行。（内存不够、优先级低...）
  • 挂起：把一个进程从内存转到外存
    • 等待->等待挂起：没有进程处于就绪状态/就绪进程要求更多的内存
    • 就绪->就绪挂起：有高优先级进程，低优先级进程挂起以保证有足够的内存空间
    • 运行->就绪挂起：有高优先级等待挂起进程因事件出现进入就绪挂起状态
  • 外存中的状态转换：
    • 等待挂起 -> 就绪挂起(相关事件出现)
    • 激活：一个进程从外存转到内存
      • 就绪挂起到就绪：没有就绪进程/挂起就绪进程优先级高于就绪进程
      • 等待挂起到等待：有足够的内存，等待挂起优先级较高

• 状态队列：操作系统维护的一组队列，表示系统中所有进程的当前状态（就绪队列、各种等待队列）

线程：是进程的一部分，描述指令流的执行状态。是进程中指令执行流的最小单元，CPU调度的基本单位。

• 进程的资源分配角色：一组相关资源 --> 地址空间（代码段，数据段)，打开的文件等各种资源

• 线程的处理机调度角色：线程描述在进程环境中指令流执行状态

• 线程 = 进程 - 共享资源

• 优点

  • 一个进程中可同时存在多个线程
  • 各线程间可并发地执行
  • 各线程间可共享地址空间、文件等资源

• 确定

  • 一个线程的崩溃会导致所属进程的所有线程崩溃

• 与进程比较

  • 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位
  • 进程拥有一个完整的资源平台，线程只独享指令流执行的必要资源：寄存器、栈等
  • 线程具有就绪、等待、运行三种基本状态和状态间转换
  • 线程能减少并发执行的时间、空间开销
    • 线程创建、终止的时间比进程短
    • 同一进程间线程切换时间比进程短
    • 同一进程的各线程共享文件、内存资源可不通过内核直接进行通信

• 实现方式

  • 用户线程：在用户空间实现（通过函数库）

    • 由一组用户级的线程库函数来完成现成的管理（线程的创建、终止、同步、调度等）

    • 特征：

      • 不依赖操作系统的内核

        • 内核不了解用户线程的存在
        • 可用于不支持线程的多进程操作系统

      • 在用户空间实现的线程机制

        • 每个进程有私有的线程控制块（TCB）列表
        • TCB由线程库函数维护

      • 同一进程的用户线程切换速度快：无需用户态/核心态切换

      • 允许每个进程有自己的线程调度算法

    • 缺点：

      • 线程发起系统调用而阻塞时，整个进程进入等待
      • 不支持基于线程的处理机抢占：除非当前运行线程主动放弃，所在进程的其它线程无法抢占CPU

  • 内核线程：在内核中实现

    • 进程由内核通过系统调用实现线程机制，由内核完成线程的创建、终止、管理。
    • 特征：
      • 由内核维护PCB/TCB
      • 线程执行系统调用而被阻塞不影响其他线程
      • 线程创建、终止、切换相对较大：通过系统调用/内核函数，在内核实现
      • 以线程为单位进行CPU时间分配：多线程的进程可获得更多CPU时间

  • 轻权进程（LWP）：结合前两者的优点（轻量级进程）-- 过于复杂，未完全实现预期效果

    • 内核支持的用户线程。一个进程可以有一个或多个轻量级进程，每个轻权进程由一个单独的内核线程来支持。

  • 轻量级线程：在内核中实现，支持用户线程