《现代操作系统》——第3章 进程/线程模型

• 进程

1. 进程的定义：进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进程资源分配和调度的独立单位。进程又称为任务。
2. 进程的特点：
   • 程序的一次执行过程
   • 是正在运行程序的抽象
   • 将一个CPU变幻成多个虚拟CPU
   • 系统资源以进程为单位进行分配，如内存、文件等，每个进程具有独立的地址空间
   • 操作系统将CPU调度给需要的进程
3. 进程状态分类：
   • 三状态：运行、就绪、等待/阻塞
   • 五状态：创建、运行、就绪、等待、终止
   • 七状态：创建、运行、就绪、就绪挂起、等待、等待挂起、终止
4. 进程队列：
   • 操作系统按状态分类对每一类进程创建一个队列或多个队列
   • 队列元素为对应状态的进程的PCB
   • 随着进程状态的不断改变，一个进程的PCB从一个队列转移到另一个队列
5. 进程的创建：
   • 为进程分配一个唯一标识和一个进程控制块（PCB）
   • 为进程分配地址空间
   • 初始化进程控制块
   • 设置相应的队列指针，如将进程加入到就绪任务队列
6. UNIX中的主要进程控制操作：
   • fork() - 通过复制调用进程来创建新的进程
   • exec() - 通过用一段新的程序代码覆盖原来的地址空间，实现进程执行代码的转换
   • wait() - 提供初级进程同步操作，能使一个进程等待另一个进程的结束
   • exit() - 用来终止一个进程的运行
7. UNIX中fork的实现：
   • 为子进程分配一个空闲的进程描述符
   • 为子进程分配唯一标识pid
   • 以一次一页的方式复制父进程的地址空间（Linux对此项进行了优化，采用写时拷贝技术Copy On Write，父进程只将地址空间的指针传给子进程并将地址空间设置为只读（这里应该是说设置子进程对地址空间的权限为只读吧），当子进程需要向地址空间执行写入操作时，才为子进程开辟相应的空间并将其需要的内容放进去（开辟的地址空间大小应该是写入的目的空间所占的页大小吧））
   • 从父进程处继承共享资源，如打开的文件和当前目录等
   • 对子进程返回标识符0，对父进程返回子进程的pid
8. 对进程的其他讨论：
   • 进程与程序的区别：
     • 进程更能准确地刻画并发，而程序不能
     • 程序是静态的，而进程是动态的
     • 进程是有生命周期的，有诞生有消亡，是短暂的；而程序则相对来说是长久的
     • 一个程序可对应多个进程——一个程序可以被多个进程使用
     • 进程具有创建其他进程的功能
     • 比喻：进程好比是做菜的过程，而程序是一道菜的食谱
   • 关于进程地址空间的一个问题：有这样一个程序：声明一个全局变量val并在main函数中将该变量的地址打印到终端。执行该程序2次并通过argv赋予val不同的值，于是便产生2个进程，此时在屏幕上可以看到一个出乎意料的结果——两个进程所打印出来的val的地址是相同的。这里不禁要想：难懂是两个进程共用了这个全局变量？但是两个进程给val设置的值是不同的啊！实际上，两个进程分别运行于各自的地址空间，并且各自的val也位于各自的地址空间内，而之所以两个进程的val地址相同，是因为所用的地址表示方式是虚拟地址，或者叫作逻辑地址，是在进程地址空间中的相对位置，而由于两个进程所运行的函数相同，因此他们的地址空间内部安排也相同。地址空间分为内核地址空间和用户地址空间，用户进程位于用户地址空间中。一个进程的地址空间内包含有：代码段、数据段、堆、栈，另外堆和栈之间的空间用于存放共享库和内存映射文件等。
   • 进程映像：对进程执行活动全过程的静态描述。有进程地址空间内容、硬件寄存器内容与该进程相关的内核数据结构、内核栈组成。进程映像是一个进程的快照。

• 线程

1. 为什么引入线程的概念？
   • 应用的需要 ——如web服务器接收请求和查找网页文件的并发需求
   • 开销的考虑——相比于进程，线程开销较小，主要体现在如下三点：（1）创建一个线程花费时间少；（2）线程间切换花费时间少；（3）线程间通信无需调用内核（同一进程中的线程共享文件和变量）
   • 性能的考虑——在多处理器条件下，多个线程可是实现真正的并发，从而提高性能？？？与后面提到的线程的缺点相矛盾啊
   • 引入线程后，CPU调度的最小单位变为了线程，于是便有：“进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位。”
2. 线程的实质：线程有时称为轻量级进程，是进程中的一个运行实体，是CPU调度单位。
3. 线程的属性：
   • 有标识符ID
   • 有状态及状态的转换
   • 线程切换时需要保存上下文
   • 有自己的栈和栈指针
   • 共享所在进程的地址空间和其他资源
   • 可以创建和撤销另一个线程——程序一开始运行时就是一个单线程
4. 线程的实现：线程的实现主要有以下三种方式：用户级线程（UNIX）、内核级线程（Windows）、混合模型（Solaris），这里主要说一下用户级线程：
   • 在用户空间建立线程库，提供一组管理线程的过程
   • 由运行时系统完成线程的管理工作（操作、线程表），而内核只管理进程，它并不知道线程的存在
   • 线程切换不需要进入内核态——这与“线程是CPU调度的最小单位”的说法并不矛盾，线程切换需要改变的CPU状态，这里说的是不需要内核的参与

• 可重入程序的概念：可被多个进程同时调用的程序，是纯代码的，即执行过程中自身不改变，数据区由调用它的进程提供（不依赖全局变量之类的数据）