操作系统02.1
操作系统
进程的定义、组成、组织方式、特征
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进程的定义
程序：就是一个指令序列。
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程序段：程序的代码放在程序段内。
数据段：程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）。
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为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，引入了进程、进程实体的概念。
PCB、程序段、数据段三部分构成了进程实体（进程映像）。
操作系统：内存中同时放入多道程序，各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。操作系统要怎么才能找到各程序的存放位置呢？
答：系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）。
程序段、数据段、PCB 三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的 PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的 PCB。
注意：PCB 是进程存在的唯一标志！
从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有：
- 进程是程序的一次执行过程。
- 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
- 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
以上定义强调 “动态性”。
引入进程实体的概念后，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。
注：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过，除非题目专门考察二者区别，否则可以认为进程实体就是进程。因此我们也可以说 “进程由程序段、数据段、PCB 三部分组成”。
进程的组成
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进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB 三部分组成。
PCB：操作系统通过 PCB 来管理进程，因此 PCB 中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息。
程序段：程序代码即存放在此。
数据段：程序运行时使用、产生的运算数据。如全局变量、局部变量、宏定义的常量 就存放在数据段内。
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进程的组织
在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个 PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些 PCB 组织起来。
注：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。
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链接方式
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索引方式
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进程的特征
进程和程序是两个截然不同的概念，相比于程序，进程拥有以下特征：
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进程的状态与转换
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进程的状态——三种基本状态
进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被 CPU 处理，有时又需要等待 CPU 服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。
进程的三种基本状态：
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进程的状态——另外两种状态
创建态：操作系统需要完成创建进程。操作系统为该进程分配所需的内存空间等系统资源，并为其创建、初始化 PCB（如：为进程分配 PID）
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终止态：进程运行结束（或者由于 bug 导致进程无法继续执行下去，比如数组越界错误），需要撤销进程。
操作系统需要完成撤销进程相关的工作。完成将分配给进程的资源回收，撤销进程 PCB 等工作。
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进程状态的转换
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操作系统完成创建进程的一系列工作后，进程从创建态转换到就绪态，此时就绪态的进程拥有除处理机资源外所有所需要的其他资源，等待处理机的调度。就绪态的进程被 CPU(处理机) 调度，进程从就绪态转换为运行态，运行态的进程拥有所有所需的资源，包括处理机资源。处于运行态的进程有以下三种运行状况：① 当时间片到，或者处理机被优先级更高的进程抢占，此时处于运行态的进程会被放入就绪态中，等待以后被调用。②进程运行结束，或运行过程中遇到不可修复的错误，进程从运行态转换到终止态。③ 进程用 “系统调用” 的方式申请某种系统资源，或者请求等待某个事件发生，此时进程从运行态转换到阻塞态。阻塞态中的进程既没有所需的其他资源，更没有处理机资源。当阻塞态中的进程申请的资源被分配，或者等待的事件发生，进程的状态就转换为就绪态。
注意：
- 运行态 --> 阻塞态是一种进程自身做出的主动行为。
- 阻塞态 --> 就绪态不是进程自身能控制的，是一种被动行为。
- 不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态。（因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求）
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进程控制
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什么是进程控制？
进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换
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如何实现进程控制？
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用原语实现进程控制，原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。
这种不可被中断的操作即原子操作。
原语采用 “关中断指令” 和 “开中断指令” 实现。
这里提到的所有 “中断” 都是第一章中的 “系统调用”，一开始自己还纳闷，这个中断是什么鬼？后来才知道....
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显然，关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令。
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进程控制相关的原语
学习技巧：进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情：
- 更新 PCB 中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到 PCB、从 PCB 恢复运行环境）。
- 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志。
- 剥夺当前运行进程的 CPU 使用权必然需要保存其运行环境。
- 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境。
- 将 PCB 插入合适的队列。
- 分配 / 回收资源。
进程的创建
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进程的终止
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进程的阻塞和唤醒
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注意：阻塞原语唤醒原语必须成对使用。
进程的切换
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各原语可以实现怎样的状态转换
各原语大概做了哪些事（理解即可）
进程通信
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什么是进程通信？
顾名思义，进程通信就是指进程之间的信息交换。
进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
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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。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。
为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。
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共享存储
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两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）。
操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如 P、V 操作）
共享存储：
- 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为 10 的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。
- 基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。
管道通信
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“管道” 是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名 pipe 文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓存区。
注意：
- 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。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
- 各进程要互斥地访问管道。
- 数据以字符流地形式写入管道，当管道写满时，写进程的 write() 系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的 read() 系统调用将被阻塞。
- 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
- 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。
消息传递
进程间的数据交换以格式化的消息（Message）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。
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消息传递
- 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上。
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- 间接通信方式：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称 “信箱通信方式”。eg. 计网中的电子邮件系统。
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线程概念和多线程模型
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什么是线程，为什么要引入线程？
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还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。
引入进程之后....
进程是程序的一次执行。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。
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有的进程可能需要 “同时” 做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了 “线程”，来增加并发度。
传统的进程是程序执行流地最小单位。
引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。
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可以把线程理解为 “轻量级进程”。
线程是一个基本的 CPU 执行单位，也是程序执行流的最小单位。引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，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，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如 QQ 视频、文字聊天、传文件）。
引入线程后，进程只作为除 CPU 之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。
引入线程机制后，有什么变化？
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类比：
去图书馆看书。
切换进程运行环境：有一个不认识的人要用桌子，你需要把你的书收走，他把自己的书放到桌子上。
同一进程内的线程切换：你的舍友要用你这张桌子，你可以不用把桌子上的书收走。
线程的属性
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线程的实现方式
用户级线程
用户级线程由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）。
用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
在用户看来，是有多个线程。但是操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明）
可以这样理解，“用户级线程” 就是 “从用户角度看能看到的线程”。
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内核级线程
内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此，内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
可以这样理解，“内核级线程” 就是 “从操作系统内核视角看能看到的线程”。
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用户级线程+内核级线程
重点重点重点：操作系统只 “看得见” 内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
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例如：上面这个模型中，该进程有两个内核级线程，三个用户级线程。在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个 4 核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行。
多线程模型
在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了 “多线程模型” 问题。
多对一：
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一对一：
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多对多：
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review
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