2.1进程
2.1进程
进程的 概念、组成、 特征
"进程"和"程序“的区别
程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的 可执行文件，如：QQ.exe。
进程：是动态的，是程序的一次执行过程， 如：可同时启动多次QQ程序 同一个程序多次执行会对应多个进程
进程控制块PCB
是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为它创建PCB，当进程结束时，会回收PCB
PCB里面记录的东西：
- 进程描述信息
- PID、UID
- 进程控制和管理信息
- CPU、磁盘、网络流量使用情况
- 进程当前的状态
- 资源分配清单
- 使用了哪些文件
- 使用了哪些内存区域
- 使用了哪些I/O设备
- 处理机相关信息：如PSW等寄存器的值
进程的组成
- PCB
- 程序段：程序的代码
- 数据段：运行过程中产生的各种数据
PCB 是给操作系统用的。 程序段、数据段是给进程自己用的。
进程被“调度”
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。
一个进程被“调度”，就是指操作系统决定让这个进程上CPU运行
同时挂三个QQ号，会对应三个QQ进程，它们的PCB、数据段各不相同，但程序段的内容都是相同的(都是运行着相同的QQ程序)
进程的特征
- 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的（是进程的最基本的特性）
- 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
- 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
- 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度前进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决同步问题
- 结构性：每个进程会配置一个PCB。从结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。
进程的 状态与转换
- 创建态：进程正在被创建，操作系统会为进 程分配资源、初始化PCB
- 就绪态：当进程创建完成后，便进入“就绪态”， 处于就绪态的进程已经具备运行条件， 但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行【此时CPU×、其他所需资源√】
- 运行态：当CPU空闲时，操作系统 就会选择一个就绪进程， 让它上处理机运行。如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程 处于“运行态”。 CPU会执行该进程对应的程序【此时CPU√、其他所需资源√】
- 阻塞态：在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待 某种系统资源的分配，或者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” 当CPU空闲时，又会选择另一个“就绪态”进程上CPU运行 【此时CPU×、其他所需资源×】
- 终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB
其中，就绪态、运行态、阻塞态为三种基本状态，进程的整个生命周期中，大部分时间都处 于三种基本状态
进程状态的转换
单CPU情况下，同一时刻只会有一 个进程处于运行态，多核CPU情况 下，可能有多个进程处于运行态
进程的组织
- 链接方式：按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针
- 索引方式：根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针
链接方式
索引方式
进程控制
进程控制就是要实现进程状态转换
如何实现进程控制？
用原语实现。原语：是一种特殊的程序,它的执行具有原子性.也就是说,这段程序的运行必须一气呵成，不可中断。【下图：如果没有用原语实现”一气呵成“】
如何实现原语的“原子性”？
可以用 “关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性。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。 这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”
进程控制相关的原语
无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情:
1．更新PCB中的信息--修改进程状态(state)，保存/恢复运行环境
2．将PCB插入合适的队列
3．分配/回收资源
创建原语
- 申请空白PCB
- 为新进程分配所需资源
- 初始化PCB
- 将PCB插入就绪队列【创建态→就绪态】
引起进程创建的事件
- 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会建立为其建立一个新的进程
- 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
- 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求
- 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程
撤销原语【进程终止】
- 从PCB集合中找到终止进程的PCB
- 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
- 终止其所有子进程
- 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
- 删除PCB【就绪态/阻塞态/运行态→终止态→无】
引起进程终止的事件
- 正常结束：进程自己请求终止（exit系统调用)
- 异常结束：整数除以o、非法使用特权指令，然后被操作系统强行杀掉
- 外界干预：Ctrl+Alt+delete，用户选择杀掉进程
阻塞原语
-
找到要阻塞的进程对应的PCB
-
保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为"阻塞态"，暂时停止进程运行
-
将PCB插入相应事件的等待队列【运行态→阻塞态】
引起进程阻塞的事件
- 需要等待系统分配某种资源
- 需要等待相互合作的其他进程完成工作
唤醒原语
- 在事件等待队列中找到PCB
- 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
- 将PCB插入就绪队列，等待被调度【阻塞态→就绪态】
引起进程唤醒的事件
等待的事件发生：因何事阻塞，就应由何事唤醒
进程的切换：切换原语
- 将运行环境信息存入PCB
- PCB移入相应队列
- 选择另一个进程执行，并更新其PCB
- 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
引起进程切换的事件
- 当前进程时间片到
- 有更高优先级的进程到达
- 当前进程主动阻塞
- 当前进程终止
进程通信 (IPC)
- 共享存储
- 基于数据结构的共享
- 基于存储区的共享
- 消息传递
- 直接通信方式
- 间接通信方式
- 管道通信
进程间通信（Inter-Process Communication， IPC）：两个进程 之间产生数据交互。
为什么进程通信需要操作系统支持？
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
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。（就像你家随时可以让邻居进来，这多瘆人啊）
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：操作系统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。
消息传递
间接：通过“信箱”间接地通信。 因此又称“信箱通信方式”
直接：消息发送进程要指明接收进程的ID
管道通信
“管道”是一个特殊的共享文件，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
1．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。
2．各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现)；只要管道没空，读进程就可以从管道读数据 ；只要管道没满，写进程就可以往管道写数据
3．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。
4．当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
5．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。对此，通常有两种解决方案:①一个管道允许多个写进程，一个读进程(2014年408真题高教社官方答案)﹔②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux的方案）。
线程
引入线程
- 资源分配、调度
- 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位
- 引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
- 并发性
- 传统进程机制中，只能进程间并发
- 引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发度
- 系统开销
- 传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销大
- 线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小
- 引入线程后，并发所带来的系统开销小
还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。比如无法一边聊天一边听歌，只能先聊天再听歌。
传统的进程是程序执行流的最小单位。引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
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，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）。 线程则作为处理机的分配单元。
”开销大“类比： 去图书馆看书。桌子=处理机，人=进程，看不同的书=线程
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上
同一进程内的线程切换=你的舍友要用这张书桌，可以不把桌子上的书收走
线程的属性
- 线程是处理机调度的单位
- 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
- 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)
- 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
- 线程几乎不拥有系统资源
- 同一进程的不同线程间共享进程的资源
- 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
- 同一进程中的线程切换,不会引起进程切换
- 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
- 切换同进程内的线程，系统开销很小
- 切换进程，系统开销较大
线程的实现方式 多线程模型
- 线程的实现方式
-
用户级线程
-
内核级线程
-
- 多线程模型
- 一对一模型
- 多对一模型
- 多对多模型
历史背景：早期的操作系统（如：早期Unix）只支持进程， 不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的
线程的实现方式
问：什么是用户线程？什么是内核线程？
内核线程: 切换由内核控制，当线程进行切换的时候，由用户态转化为内核态。切换完毕要从内核态返回用户态.
用户线程指: 不需要内核支持而在用户程序中实现的线程，其不依赖于操作系统核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。
用户级线程（User-Level Thread, ULT）
线程库完成了对线程的管理工作（如调度）
- 线程的管理工作由谁来完成？ 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）
- 线程切换是否需要CPU变态？ 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。
- 操作系统是否能意识到用户级线程的存在？ 在用户看来，是有多个线程。但是在操作 系统内核看来，并意识不到线程的存在。 “用户级线程”就是“从用户视角看能看到 的线程”
- 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？ 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：当一个用户级线程被阻塞后，整个进 程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可 在多核处理机上并行运行。
内核级线程（Kernel-Level Thread, KLT, 又称“内核支持的线程、由操作系统支持的线程”）
大多数现代操作系统都实现了内核级线程，如 Windows、Linux
- 线程的管理工作由谁来完成？ ----内核级线程的管理工作由操作系统内核完 成。
- 线程切换是否需要CPU变态？ ----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。
- 操作系统是否能意识到内核级线程的存在？ ----操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB（Thread Control Block，线程控制块）， 通过TCB对线程进行管理。“内核级线程”就 是“从操作系统内核视角看能看到的线程”
- 这种线程的实现方式有什么优点和缺点？ ----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
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。
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。
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：当一个用户级线程被阻塞后，整个进 程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可 在多核处理机上并行运行
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。
多对多模型
多对多模型:n用户及线程映射到m个内核级线程(n >= m)。每个用户进程对应m个内核级线程。
克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞)，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。
可以这么理解:用户级线程是“代码逻辑”的载体内核级线程是“运行机会”的载体
内核级线程才是处理机分配的单位。
例如:多核CPU环境下，左边这个进程最多能被分配两个核。一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行
内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞
题
2、如果采用基于优先级可抢占的调度机制，请问在哪些情况下需要启动调度程序？也就是调度时机有哪些？至少说出4种。（4分）
1）一个新进程被创建，并进入就绪队列
2）当前执行进程因为I/O被阻塞
3）当前执行进程挂起自己
4）当前执行进程调用exit,return等函数退出执行
5）一个阻塞进程被唤醒
6）一个挂起进程被激活
3、论述操作系统中的系统调用函数是如何实现的？（4分）
系统调用利用软中断实现（1分），操作系统初始化过程中，会产生一张中断向量表，其中保存了中断服务程序的入口地址，发生软中断后通过中断号找到对应的中断服务程序（2分），从而找到注册到操作系统中的服务系统调用的函数，完成功能。（1分）
