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1 进程

1.1 进程的概念、组成与特征

程序： 是 静态的， 是存放在磁盘里的可执行文件，是一系列的指令集合。
进程（Process）： 是 动态的， 是程序的一次执行过程。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。

示例：QQ程序仅一个，但是可以同时打开多个QQ，进程就多出来了几条。即，同一个程序多次执行会对应多个进程。

❓ 思考： 操作系统是这些进程的管理者，它要怎么区分各个进程呢？

答：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，进程ID）。

进程的组成
一个进程的实体（进程映像）有PCB、程序段、数据段组成。
进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。进程实体反应了进程在某一时刻的状态。

进程控制块（PCB）—— 进程存在的唯一标志！
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I/O设备、正在使用哪些文件），还要记录进程的运行情况（如：CPU的使用时间、磁盘的使用情况、网络流量使用情况等）。
以上信息都被保存在一个数据结构PCB（Process Control Block）中，即进程控制块。
操作系统对进程进行管理工作所需的信息都存在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。

通过程序运行过程来理解进程的组成：
一个程序开始运行前，程序需要从硬盘读入内存 。在运行前，需要创建对应的进程，同时创建对应的进程控制块，也就是PCB。然后，CPU会读取一系列指令，我们把这些程序指令称为程序段。而在，执行程序段的过程中，会产生一些数据，这些数据我们称作数据段。

进程的特征
程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有如下特征：

• 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，各进程可以并发执行。
• 独立性： 进程是能够独立运行，独立获得资源，独立接收调度的基本单位。
• 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。
• 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、数据段和PCB组成。

1.2 进程的状态与转换

进程的状态

创建态、就绪态
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。
当线程创建完成后，便会进入 “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，则暂时不能运行。

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，那么这个进程就处于 “运行态”， CPU会执行该进程对应的程序（执行指令序列）。系统中可能会有很多个进程都处于就绪态。

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（比如，等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的相应）。
在这个事件发生之前，进程无法继续向下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入 “阻塞态”。

终止态
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。

进程状态的转换
如图所示：

进程的整个生命周期中，大部分时间都处于三种基本状态：运行态、就绪态、阻塞态。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PCB中，会有变量state来表示进程的当前状态。如：1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态… …

1.3 进程的组织

链接方式与索引方式

1.4 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。

简而言之，进程的控制就是要实现进程状态的转换。

如何实现进程控制？
进程控制用 “原语” 实现。原语的执行具有 “原子性”，一气呵成。

那么为什么进程的控制需要一气呵成呢？
Eg 假设PCB中的变量State表示进程当前所处状态，1表示就绪态，2表示阻塞态… … 如下图所示：

假设此时进程2等待的事件发生，则操作系统中，负责进程控制的内核程序至少需要完成以下的操作：

1. 将PCB2的state设置为1；
2. 将PCB2从阻塞队列放到就绪队列。

如果说，完成了第一步后，收到了中断信号，那么此时就会发生 PCB2 的state = 1，为就绪态，但是它却被放在了阻塞队列里。

所以说，如果不能一气呵成，就有可能导致操作系统中某些关键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，期间不允许被打断。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。
在正常情况下，CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。

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

创建原语

撤销原语

阻塞原语与唤醒原语
因为何事阻塞，就应该由何事唤醒。所以，阻塞原语和唤醒原语是成对使用的。

切换原语
切换原语实现 运行态 与 就绪态 的相互切换。

在进程的切换时一般现在PCB中保存这个进程的运行环境（保存一些必要的寄存器信息），当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境。

1.5 进程通信

什么是进程间通信？
进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）是指两个进程间产生数据交互。

为什么进程通信需要操作系统的支持？
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。 出于安全考虑，各个进程只能访问自己进程的地址空间，而不能访问其他进程的地址空间。即：一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

进程通信的三种方式

共享存储
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。
进程P和进程Q想要通信，可以申请一片共享内存区。这样通过对共享内存区的访问，就能实现P、Q进程的通信了。
但是多个进程如果都在共享存储区写数据，就有可能造成写冲突，发生数据覆盖的问题。
为了避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。

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。

消息传递
进程间的数据交换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。

直接通信方式：
点名道姓的消息传递。进程A通过发送原语，编辑好消息头和消息体，指名发给谁。然后操作系统内核中进程Q的PCB接收存储到消息队列。而后Q进程通过接收原语，查找消息队列中由P进程发送的消息，完成接收。

间接通信方式：
以信箱作为中间实体进行消息传递。可以多个进程往同一个信箱发送消息，也可以多个进程从同一个信箱中接收消息。

管道通信
数据的流向只能是单向的（不能同时进行，在某一时刻是单向的）。一端写数据，另一端读数据。先进先出。
这里所说的管道，是一种特殊的共享文件，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。
共享存储的通信方式相较管道通信更加自由，因为共享存储的方式存储方式不受限，相对自由，而管道通信的缓存区则更像是一个循环队列。

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）。
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，可能会发生错乱。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；（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。

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2 线程与多线程模型

2.1 线程的概念

线程可以理解为轻量级进程。
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。

为什么要引入线程呢？

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）。

引入线程后带来的变化如下：

线程的属性如下：

• 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；而切换进程，系统开销较大

2.2 线程的实现方式

1.用户级线程
在早期的操作系统中，比如Unix，只支持进程，不支持线程。当时的"线程"是通过线程库实现的。
1.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）
2.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。
3. 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”

优点： 用户级线程线程切换在用户空间即可完成，不需要切换核心态，线程管理开销小，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。

2.内核级线程
内核级线程是内核支持的线程，由操作系统支持。
1.内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。
2.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。
3. 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”

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。

2.3 多线程模型

1.一对一模型
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。

刚刚在内核态举例的图，就是一对一模型。

2.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

3.多对一模型
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。

2.4 线程的状态与转换

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3 处理机调度

调度通俗的来讲，就是指定某种规则来决定处理这些任务的顺序。

3.1 调度的三个层次

1.低级调度（进程/处理机调度）
按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。
进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

2.中级调度（内存调度）
内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。 被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列。

3.高级调度（作业调度）
按照一定的原则，从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时建立PCB，调出时撤销PCB。
而作业可以简单理解为用户让操作系统启动一个程序（来处理具体的任务）。

三种调度方式的对比

3.2 进程的挂起态与七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态（挂起态，suspend)。挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态

3.3 进程调度

3.3.1 进程调度的时机

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。
王道给出的示意图如下：

3.3.2 进程的调度方式

• 非剥夺调度方式，又称非抢占方式。 即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
• 剥夺调度方式，又称抢占方式。 当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

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4 调度算法（重点！！！）

4.1 调度算法的评价指标

CPU利用率
指CPU忙碌的时间占总时间的比例。

cpu利用率 = 忙碌时间 / 总时间

系统吞吐量
对于计算机来说，希望在尽可能少的时间处理尽可能多的作业，因此，系统吞吐量指的是单位时间内完成作业的数量。

系统吞吐量 = 总共完成的作业数 / 总共使用时间

周转时间与平均周转时间
对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。
周转时间，是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
它包括四个部分：作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间、进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/0操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。

（用户关心）周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
（系统关心）平均周转时间 = 各作业周转时间之和 / 作业数

等待时间
指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。

• 对于进程 ： 等待时间指进程建立之后等待被服务时间之和，而等待I/O完成的期间实际上也是被服务的，所以不计入等待时间。
• 对于作业：不仅要考虑建立进程后的等待时间，还应该考虑作业在外存后备队列等待的时间。

4.2 适用于批处理系统的调度算法

4.2.1 先来先服务（FCFS）

按照作业/进程到达的先后顺序进行服务。

4.2.2 短作业优先（SJF）

最短的作业/进程优先得到服务（所谓 “最短” 指要求的服务时间最短）,但是，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，也就并不一定能够实现真正的短作业优先！

而短作业优先算法分为两种情况，具体例题如下：

非抢占式
0时刻，P1已经到达，则P1上处理机运行7s，而在此7s中，P2、P3、P4进程均到达，所以在P1结束后优先运行需要服务时间最短的P3。当P3结束后，由于P2、P4所请求的服务时间一致，因此先运行先到达的，即先P2，后运行P4。

抢占式
即使用最短剩余时间优先的算法：每当有进程加入就绪队列改变时就需要进行调度，如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则由新进程抢占处理机。

4.2.3 高响应比优先（HRRN）

FCFS 算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。SJF 算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题。
由此，提出了高相应比优先调度算法

该算法是非抢占式的调度算法，只有当前运行的进程主动放弃CPU时，才需要进行调度。每次调度选择响应比最高的进程！

响应比 = （等待时间 + 要求服务时间） / 要求服务时间

前面介绍的三种调度算法一般适用于早期的批处理系统，而后将介绍交互式系统的调度算法。

4.3 适用于交互式系统的调度算法

4.3.1 时间片轮转（RR）

轮流让就绪队列中的进程依次执行一个时间片（每次选择的都是排在就绪队列队头的进程）

例题如下：

时间片大小的选择：

• 如果时间片太大，使得每个进程都可以在一个时间片内完成，则时间片轮转调度算法就会退化成先来先服务调度算法，增加进程响应时间。
• 如果时间片太小，会导致进程切换频繁，系统会花大量时间来处理进程切换，从而导致用于进程执行的时间比例减少。

4.3.2 优先级调度算法

调度时选择优先级最高的作业/进程。分为抢占式和非抢占式。非抢占式只需要在进程主动放弃处理机时进行调度即可，而抢占式还需要在就绪队列变化时，检查是否会发生抢占。

非抢占式
每次调度时选择当前已经到达且优先级最高的进程。当进程主动放弃处理机时发生调度。

抢占式
每次调度时选择当前已经到达且优先级最高的进程。当前进程主动放弃处理机的时候发生调度，当就绪队列发生改变的时候也要检查是否发生抢占。

补充
就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织。另外，也可以把优先级
高的进程排在更靠近队头的位置工作。
根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为静态优先级和动态优先级两种。
静态优先级： 创建进程时确定，之后一直不变。
动态优先级： 创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级。

4.3.3 多级反馈队列调度算法（后续补充）

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本文图片出自于王道考研计算机操作系统408公开视频，本文内容仅作为学习笔记交流使用。