《408操作系统 》复习笔记 ② 第二章 进程与线程

进程的概念、组成、特征

程序是 静态的，存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合

进程（Process）是 动态的，是程序的一次执行过程。同一个程序多次执行会对应多个进程

操作系统如何区分各个进程

当进程被创建时，操作系统为该进程分配一个 唯一的、不重复的PID

PCB

操作系统要记录进程PID、进程所属用户ID（UID），还要记录给进程分配了哪些资源（内存，IO设备，正在使用哪些文件），还要记录进程的运行情况（CPU时间，磁盘使用情况，网络流量使用情况）

这些信息都保存在一个数据结构 PCB，进程控制块

进程的组成

• **程序段、数据段、PCB **三部分组成了进程实体（进程映像）
• 引入进程实体概念后可把进程定义为
  • 进程是进程实体的 运行过程，是系统进行 资源分配和调度 的一个独立单位
    • 调度指操作系统决定让这个进程上CPU运行
• PCB 是进程存在的唯一标志

进程的特征

• 动态性：进程是程序一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
• 独立性：进程能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
  • 在引入线程之后，进程不再是独立接受调度的基本单位
• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供 “进程同步机制” 解决异步问题
  • 异步性会导致并发程序执行结果的不确定性
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。

进程的状态与转换

五个状态

• 创建态
  • OS为进程分配资源、初始化PCB
• 就绪态
  • 没有空闲CPU，暂时不能运行
• 运行态
  • CPU空闲时，OS选择一个就绪进程，让它上处理机运行。CPU执行进程的指令序列
  • OS给进程分配的时间片用完或CPU被更高优先级进程抢占，进程会进入 就绪态
• 阻塞态
  • 进程运行过程中，可能会 请求等待某个事件的发生（如等待系统资源的分配、等待其他进程的响应）在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入 阻塞态。运行态到阻塞态是主动行为
  • 当等待的事件发生后，变为 就绪态。阻塞态到就绪态是被动行为
• 终止态
  • 进程可以执行exit系统调用，请求OS终止该进程，此时进程会进入 终止态，操作系统会让该进程下CPU，回收内存空间和该进程的PCB

状态转换

进程组织（队列）

大多数操作系统使用链接方式

进程组织（索引）

进程控制

无论哪个进程控制源于，要做的无非三类事情

• 更新PCB中的信息
  • 修改进程状态、保存/恢复运行环境
• 将PCB插入合适的队列
• 分配/回收资源

原语

进程控制就是要实现进程状态转换，用 原语 实现

设一阻塞态进程等待的事件发生，则OS负责进程控制的内核程序至少需要做

• 设置该进程PCB的state
• 将该进程PCB从阻塞队列转移到就绪队列

原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断

• 原语 使用关中断、开中断 两个特权指令实现原子性

正常情况下CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理

CPU执行了 关中断指令 之后，就不再例行检查中断信号，直到执行 开中断指令 之后才会恢复检查

创建原语

撤销原语

阻塞原语和唤醒原语

切换原语

CPU会设置很多 寄存器 用于存放程序运行过程中所需的数据

当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境

进程间通信

IPC指两个进程之间产生数据交互

需要OS内核支持

进程是分配系统资源的单位，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立

为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间

共享存储

各个进程可以访问内存中的共享存储区，实现共享数据

基于存储区的共享

• OS在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。

基于数据结构的共享

• 共享空间里只能放一个长度为10的数组。共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。

消息传递

以格式化的消息为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个 原语 进行数据交换。数据由 消息头、消息体 构成，消息头包括：发送进程ID、接受进程ID、消息长度等格式化的信息。

直接通信方式

• 发送进程要指明接收进程ID （指名道姓）
• 进程的PCB中有消息队列
  • 进程P给进程Q发送消息，P在自己地址空间生成消息体msg，利用发送原语指明接收者Q和msg
  • 进程Q的PCB的消息队列会添加msg（从用户空间复制到了内核空间）
  • Q再利用接收原语指明接收P进程发来的msg
  • OS内核会检查进程Q的消息队列，然后检查哪个msg是由P发过来的，再从OS内核区复制到Q的地址空间

间接通信方式

• 通过“信箱”间接地通信。因此又称“信箱通信方式”
• 信箱在OS内核地址空间中，作为一种中间实体
  • P在自己地址空间生成消息体msg，进程P用发送原语指明发送给A信箱和msg（没有指明要发给Q）
  • 信箱A会收到msg（从用户空间复制到了内核空间）
  • Q再利用接收原语指明接收A信箱的msg
  • 信箱A的msg从OS内核区复制到Q的地址空间
• 操作系统允许多个进程往同一个信箱发消息，也可以多个进程从同一个信箱里接收消息

管道通信

管道是一种特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。本质上是一个循环队列。

• 管道只能采用 半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现 全双工通信，则需要 设置两个管道
• 各进程要 互斥 地访问管道 （由操作系统实现）
• 当 管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程
• 当 管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写数据，即可唤醒读进程
• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。
  • 解决方案：一个管道允许多个写进程，一个读进程 （应试类考试标准答案）
  • 解决方案：多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据

线程

线程概念

传统进程只能串行地执行一系列程序。此时进程是程序执行流的最小单位

为此，引入了“线程”，线程可以理解为 “轻量级进程”。 线程是一个基本的CPU执行单元（处理机调度的基本单位），也是程序执行流的最小单位

进程之间可以并发，进程内的 各线程之间 也可以并发，从而进一步 提升了系统的并发度

进程不再作为CPU调度的基本单位，只作为除CPU之外的系统资源分配单元（打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）

线程的属性

线程实现方式

用户级线程

• 线程的管理工作由 应用程序通过线程库完成
• 线程切换需要CPU变态吗 不需要，在用户态下就能完成线程切换工作
• 操作系统是否能意识到用户级线程的存在 意识不到，只能看到一个进程
• 只有用户才能感知到线程的存在
• 优点
  • 用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
• 缺点
  • 如果某一个用户级线程被阻塞，那么等同进程阻塞，并发度不高；多个线程不可在多核处理机上并行运行，进程只能分配一个核心。

内核级线程

• 线程的管理工作由 操作系统完成
• 线程切换需要CPU变态吗 需要操作系统介入
• 操作系统是否能意识到用户级线程的存在 意识得到
• 优点
  • 当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
• 缺点
  • 一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型

一对一模型

一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

多对一模型

多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。

多对多模型

n个用户级进程映射到m个内核级进程。n>=m，每个用户进程对应m个内核级线程

线程的状态与转换

几乎与进程的状态与转换一样

线程的组织与控制

与进程的组织与控制类似