2.1 进程与线程

2.1.1 进程的概念、组成和特征

一、进程的概念

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。

二、进程的组成

一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。

进程是动态的，进程实体是静态的。进程实体反映了进程在某一时刻的状态。

1、PCB

数据结构PCB ( Process Control Block)，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是进程唯一的标识！

PCB中存储了包括PID，UID（进程所属用户ID），进程运行情况等相关信息

当进程结束后，系统会回收PCB。

2、程序段和数据段

程序段：程序所包含的指令

数据段：程序产生的数据（如各种变量）

三、进程的特征

1、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。

动态性是进程最基本的特征。

2、并发性

内存中有多个进程实体，各进程可并发执行

3、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。

4、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。

5、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。

2.1.2 进程的状态与转换

一、进程的状态

1、创建态

进程正在被创建。包括建立空白PCB，由系统为进程分配资源等。

2、就绪态

进程获得了除了处理机外的一切资源。一旦获得了处理机资源就可以立刻开始运行，系统中处于就绪态的进程可以有很多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列。

3、运行态

进程正在处理机上运行。单处理机情况下每个时刻最多只有一个进程在运行态。

4、阻塞态（等待态）

进程请求等待某个事件发生，在该事件完成前，即使处理机资源空闲，该进程也不能运行。例如请求了系统调用或者是等待某些资源。

5、中止态

进程正在结束。系统先将进程置为结束态，之后再进行资源的释放和回收等工作。

如果是多核CPU，可以存在多个运行态的进程

运行态、阻塞态和就绪态是进程的三种基本状态

二、进程状态的转换

  • 两个不能

    • 不能直接由阻塞态到运行态

    • 不能直接由就绪态到阻塞态

  • 转变模式

    • 运行态到阻塞态一般是主动的行为

    • 阻塞态到就绪态是被动的行为

三、进程的组织方式

链式方式：将同一状态的PCB连接到同一个队列中；

索引方式：将同一状态的PCB放在一个索引表当中。

2.1.3 进程控制

进程控制是使用原语来实现的。

原语是指执行期间不允许中断的程序段，是一个不可分割的基本单位。

通过“关中断指令”和“开中断指令”实现了原语的原子性。

一、进程的创建

创建原语

  1. 申请空白PCB

  2. 为进程分配所需资源

  3. 初始化PCB

  4. 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

  • 作业调度（有新的作业将要运行）

  • 提供服务

  • 应用请求（用户进程主动请求创建子进程）

二、进程的终止

撤消原语

  1. 从PCB集合中找到终止进程的PCB

  2. 若进程正在运行，立刻剥夺CPU，将CPU分配给其他进程

  3. 中止其所有子进程

  4. 将该进程所有资源归还给父进程或是操作系统

  5. 删除PCB

引起进程中止的事件

  • 正常结束

  • 异常结束

  • 外界干预

三、进程的阻塞和唤醒

阻塞原语和唤醒原语必须成对使用

阻塞原语

  1. 找到要阻塞进程对应的PCB

  2. 保护进程运行现场，将进程设置为阻塞态，暂时停止进程运行

  3. 将PCB插入对应事件的等待队列

引发阻塞的事件

  • 需要等待系统分配某种资源

  • 需要等待合作的其他进程完成工作

唤醒原语

  1. 在事件队列中找到对应的PCB

  2. 将PCB从等待队列移除，设置为就绪态

  3. 将PCB插入就绪队列，等待被唤醒

引发唤醒的事件

  • 等待的事件发生

四、进程的切换

切换原语

  1. 将运行环境信息存入PCB

  2. PCB移入相应队列

  3. 选择另一个进程执行，并更新其PCB

  4. 根据PCB回复进程所需的运行环境

运行环境：进程运行中的临时变量等

引起切换的事件

  • 当前进程时间片到

  • 更高优先级的进程到达

  • 当前进程主动阻塞

  • 当前进程中止

2.1.4 进程通信

一、共享存储

  • 两个进程对共享空间的访问必须是互斥的。

  • 操作系统只提供共享空间和同步互斥工具（如P，V操作）。

两种方式：基于数据结构的共享、基于存储区的共享

基于数据结构的共享

  • 只能共享固定的数据结构

  • 速度慢，是一种低级的共享方式

基于存储区的共享

  • 共享方式和大小由进程自己决定

  • 速度快，是一种高级的共享方式

二、管道通信

管道实际上是一个固定大小的缓冲区

  • 管道通信只能实现半双工通信，想实现双向通信需要两个管道

  • 各个进程对管道的访问也需要是互斥的

  • 管道中没有写满（读空）时，不能向管道中再写（读）数据

  • 从管道中读取数据是一次性的，数据一旦被读取就会从管道中抛弃

    • 一次只能有一个读进程

    • 但是可以有多个写进程

三、消息传递

进程间的数据交换以格式化消息（message）为单位。

通过发送消息/接收消息两个原语进行数据交换

两种方式：直接通信方式、间接通信方式

直接通信方式

发送进程直接将消息发送到接收进程的消息缓冲队列中

间接通信方式

发送进程将消息发送到某个中间实体，一般称为_信箱_，接收端从中间实体接收消息

2.1.5 线程的概念和特点

一、线程的概念

线程是程序执行的最小单元，是进程中的一个实体，是系统独立调度与分派的基本单位。

线程是程序执行的最小单元，是调度的基本单位

进程是资源分配的最小单元

二、线程的特点

  • 调度：线程作为独立调度的基本单位，进程内的线程调度不会引起进程切换，开销变小

  • 并发性：更好

    • 进程之间可以并发运行

    • 同一进程内的线程可以并发运行

    • 不同进程间的线程可以并发执行

  • 占有资源：线程几乎不占有资源

  • 独立性

    • 进程拥有独立的地址空间和资源

    • 同一进程内的线程共享地址空间和资源

  • 系统开销：当进行进程内线程的切换时，开销远小于进程

  • 支持多处理机系统：可以将多个线程分配给多个处理机运行

三、线程的实现方式

线程库支持的线程（用户级线程 User-Level Thread, ULT)

  • 线程切换由应用程序负责，在用户态下即可完成

  • 线程表存储在用户空间，系统内核意识不到线程的存在

  • 调度

    • 操作系统为进程分配时间片

    • 用户的调度程序再讲时间片分给线程

  • 优点

    • 线程的切换在用户态即可完成，开销小、效率高

  • 缺点

    • 当一个线程被阻塞后，其他线程都会被阻塞，并发度不高

内核支持的线程（内核级线程 Kernel-Level Thread）

  • 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成

  • 内核的切换需要在内核态下实现

  • 线程表存储在内核空间，内核态线程是操作系统内核能够看到的

  • 调度

    • 操作系统以线程为调度单位

  • 优点

    • 一个线程被阻塞后，其他线程继续运行，并发性强

  • 缺点

    • 线程的切换需要内核态，成本高、开销大

四、多线程模型

1、一对一模式

一个用户级线程映射一个内核级线程（一个UTL一个TCB）

  • 并发能力强

  • 开销大

2、多对一模式

将多个用户级线程映射到一个内核级线程，等同于用户级线程（多个UTL一个TCB）

  • 效率高

  • 并发能力弱；多个线程不能并行的运行在多处理机上

3、多对多模式

将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（m <= n）

五、线程的资源共享

  • 共享

    • 进程的虚拟地址空间

  • 独立

    • 栈

2.1.6 线程的控制

一、线程的状态转换

二、线程的组织与控制

将TCB组织成线程表进行管理

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