王道操作系统第2章-进程管理-进程与线程
王道操作系统第2章-进程管理-进程与线程
进程的概念、组成、特征
程序：是静态的，就是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）：是动态地，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
进程的组成
进程由PCB、程序段、数据段组成
PCB
当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号”——PID（process ID）
操作系统要记录PID、进程所属用户ID（UID）
还要记录给进程分配了哪些资源（如分配了多少内存、正在使用哪些IO设备、正在使用哪些文件），可用于实现操作系统对资源的管理
还要记录进程的运行情况（如CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等），可用于实现操作系统对进程的控制、调度
这些信息都被保存在一个数据结构PCB（Process Control Block）中，即进程控制块 操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息,都会被放在PCB中
PCB是进程存在的唯一标志,当进程被创建时,操作系统为其创建PCB,当进程结束时,会回收其PCB
程序段、数据段
PCB是给操作系统用的，程序段、数据段是给进程自己用的
进程的特征
程序是静态的，进程是动态的，相比与程序，进程有如下特征
动态性：动态性是进程最基本的特征，进程是程序的一次执行过程，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：进程是能独立运行、独立获取资源、独立接受调度的基本单位
异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题。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，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、组织方式
进程的状态
三种基本状态:运行态、就绪态、阻塞态
进程正在被创建时，它的状态是“创建态”，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB
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
系统中可能会有很多个进程都处于就绪态，当CPU空闲时，操作系统就会选择一个就绪进程，让其在处理机上运行
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（执行指令序列）
在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（例如等待某种系统资源如打印机的分配，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
如果“运行态”的时间片到或者处理机被抢占，此时又会回到“就绪态”
一个进程可以执行exit系统调用，请求操作系统终止该进程，此时该进程会进入“终止态”，操作系统会让该进程下CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB，当终止进程的工作完成后，这个进程就彻底消失了
进程状态的转换
阻塞态\rightarrow就绪态不是进程本身能控制的,是一种被动行为 运行态\rightarrow阻塞态是一种进程自身做出的主动行为
不能直接由阻塞态\rightarrow运行态,也不能直接由就绪态\rightarrow阻塞态
单核CPU情况下，每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PCB中有一个变量state表示进程的当前状态
为了对同一个状态下的各个进程进程统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来
进程的组织
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
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，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能 简要理解：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，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断
如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作
如何实现原语的“原子性”
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
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执行了关中断指令后就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令后才会恢复检查，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
进程的创建相关原语
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
引起进程创建的事件
用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程
作业调度：多道批处理系统中，由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
进程的终止相关原语
撤消原语：使进程从就绪态/阻塞态/运行态\rightarrow终止态\rightarrow无
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（进程间的关系是树形结构）
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
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0、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
进程的阻塞相关原语
阻塞原语：运行态\rightarrow阻塞态
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
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
进程的唤醒相关原语
唤醒原语：阻塞态\rightarrow就绪态
在事件等待队列中找到PCB
将PCB从等待队列中移除，设置进程为就绪态
将PCB插入就绪队列，等待被调度
引起进程唤醒的事件
等待的事件发生：因何事阻塞，就应该由何事唤醒
阻塞原语和唤醒原语必须成对使用
进程的切换相关原语
切换原语：运行态\rightarrow就绪态 或者 就绪态\rightarrow运行态
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
进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）指两个进程之间产生数据交互
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
共享存储分为两种方式：
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
基于数据结构的共享：比如共享空间只能放一个长度为10的数组，这种共享方式速度慢、显示多，是一种低级通信的方式
消息传递
进程间的数据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
消息传递分为两种方式
直接通信方式：消息发送进程要指明接收进程的ID，点名道姓的消息传递
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”
可以多个进程往同一个信箱send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息
管道通信
管道采用循环队列的方式，先进先出，只能一端写一端读
管道是半双工通信，某一时间段只能实现单向的数据传输，如果要实现双向同时通信，则要设置两个管道
当管道写满时，写进程阻塞，直到读进程将管道内的数据取走即可唤醒写进程 当管道读空时，读进程阻塞，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
线程的概念
没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行，如不能边听音乐边聊QQ，引入进程之后才可
进程是程序的一次执行，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
线程是一个基本的CPU执行单元，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，进程内的个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、内存地址空间都是分配给进程的）
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
由于共享内存地址空间，同一进程中的线程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
线程的实现方式和多线程模型
线程的实现方式
用户级线程
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
int main(){
int i=0;
while(true){
if(i==0){处理视频聊天;}
if(i==1){处理文字聊天;}
if(i==2){处理文件传输;}
i=(i+1)%3
}
}
从代码的角度看，线程其实就是一段代码逻辑，上述三段代码逻辑上可以看做三个“线程”，while循环就是一个最简单的“线程库”，线程库完成了对线程的管理工作（如调度）
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，但是在操作系统内核看来，并不意识到线程的存在。“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”
优缺点：
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，又称“内核支持的线程”，由操作系统支持的线程
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
操作系统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”
优缺点：
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。多线程可以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
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
多对多模型
n个用户及线程映射到m个内核级线程（n\ge 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
线程的状态和转换
状态与进程类似
一个TCB（线程控制块）包含如下部分
线程标识符：TID，与PID类似
程序计数器PC：线程目前执行到哪里
其他寄存器：线程运行的中间结果
堆栈指针：堆栈保存函数调用信息、局部变量等
线程运行状态：运行、就绪、阻塞
优先级：线程调度、资源分配的参考
线程切换时需要保存和恢复的信息：程序计数器PC、其他寄存器、堆栈指针
