【王道操作系统】ch2进程与线程-01进程与线程

01 进程的概念、组成和特征

（1）进程的概念

• 程序：静态的，存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合
• 进程：进程时动态的。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。PCB是进程存在的唯一标志。（进程的调度：操作系统决定让这个进程上CPU运行）

操作系统是进程的管理者，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）

• 操作系统需要记录PID、进程所属用户ID（UID）【基本的进程描述信息，让操作系统区分各个进程】
• 记录给进程分配了哪些资源（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）【可用于实现操作系统对资源的 管理】
• 记录进程的运行情况（CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）【可用于操作系统对进程的控制、调度】

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。

（2）进程（进程实体）的组成

①PCB（给操作系统用的）

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PCB。

②程序段（给进程自己用的）和数据段（给进程自己用的）

• 进程：进程时动态的。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。PCB是进程存在的唯一标志。（进程的调度：操作系统决定让这个进程上CPU运行）
• 进程实体：一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。进程实体是静态的。可以将进程实体理解为进程在某一时刻的快照，进程实体反映了进程在某一时刻的状态。
  例如：一个程序运行多次会对应多个进程。
  同时挂3个QQ号会对应三个QQ进程，它们的PCB、数据段各不相同，但是程序段的内容相同，都是运行的相同的QQ程序。

（3）进程的特征

tips:进程是能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位。注意，在引入了线程之后，进程就不再是独立接收调度的基本单位了，但进程仍然是独立获得资源的基本单位

02 进程的状态与转换、进程的组织

（1）进程的状态：创建态、就绪态、阻塞态、终止态

• 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
• 就绪态：当进程创建完成后，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，暂时不能运行。
• 运行态：如果一个处于就绪态的进程被操作系统调度，这个进程就可以上CPU运行，当一个进程在CPU上运行时就处于运行态。
• 阻塞态：在进程的运行过程中，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。
• 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。

（2）进程的状态转换模型

（3）进程的组织

①链接方式

②索引方式

两种进程组织方式中，用得比较多的是链接方式。

（4）进程的状态与转换、进程的组织小结

03 进程控制

（1）什么是进程控制

定义：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。
通俗理解：进程控制就是要实现进程的状态转换。

（2）如何实现进程控制——用“原语”实现

计算机进程的控制通常由原语完成。所谓原语，一般是指由若干条指令组成的程序段，用来实现某个特定功能，在执行过程中不可被中断。在操作系统中，某些被进程调用的操作，如队列操作、对信号量的操作、检查启动外设操作等，一旦开始执行，就不能被中断，否则就会出现操作错误，造成系统混乱。所以，这些操作都要用原语来实现。原语是操作系统核心（不是由进程，而是由一组程序模块组成）的一个组成部分，并且常驻内存，通常在管态下执行。原语一旦开始执行，就要连续执行完，不允许中断。（内核态=核心态=管态）
总结：原语的执行具有“原子性”，一气呵成，不允许中断。

为什么进程控制（进程的状态转换过程）需要一气呵成，不能被打断？

• 回答：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。
• 例如：假设PCB中的变量state表示进程所处的状态，1表示就绪态，2表示阻塞态。
  
  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至少需要做两件事：
  ①将PCB2的state设为1
  ②将PCB2从阻塞队列放到就绪队列
  而如果在完成第一步之后收到进程中断信号，那么PCB2的state=1，但是PCB2这个进程却位于阻塞队列，这就产生了错误，造成了系统混乱。因此进程的状态转换过程必须一气呵成，从第一步到第二步不容许打断，因此必须用原语来实现。

为什么原语具有“原子性”，具有一气呵成不被中断的性质呢？

• 回答：用 “关中断指令” 和 “开中断指令” 这两个 特权指令 实现原子性。
  

如果关中断指令和开中断指令允许用户程序使用的话，会发生什么？

普通的用户程序一旦在CPU上被执行，就有可能已知霸占着CPU的资源，但是这种情况是我们不希望发生的，所以这两个指令只能被内核程序使用，必须是特权指令。

（3）进程控制相关的原语

①创建原语

②撤销原语

③阻塞原语和唤醒原语

一个进程由什么事件阻塞，就应该由什么事件唤醒。即阻塞原语和唤醒原语必须成对使用。

④切换原语

什么是进程的运行环境？

进程的运行环境也叫“进程上下文（Context）”,一个进程下CPU时会将其需要的运行环境存入PCB中，而当一个进程需要重新回到CPU运行时，就可以从PCB中恢复它的运行环境，让它继续往下执行。

进程控制原语小结

无论是哪个进程控制源于，无非就是做三件事：

• 更新PCB中的信息
• 将PCB插入合适的队列
• 分配/回收资源

04 进程通信

（1）什么是进程间通信？

进程间通信（Inter-Process Communication,IPC）是指两个进程之间产生数据交互。

（2）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。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。

（3）进程通信的三种方式（共享存储、消息传递、管道通信）

①共享存储

• 通过 “增加页表项/段表项” 即可将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中（第三章的内容）

• 为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。各个进程可以使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作）。多个进程可以同时从共享空间中读，但是不可以同时写入共享空间。

• • 基于数据结构的共享
    比如共享空间里只能放长度为20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、存放的位置都由通信进程控制，操作性系统不做限制。这种共享方式速度快，是一种高级通信方式。

②消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message） 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：消息发送进程要知名接收进程的ID
• 间接通信方式：通过“信箱”间接通信。又称“信箱通信方式”

直接通信示意图：

间接通信示意图：

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send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。

③管道通信

• “管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。和共享存储类似，也是P和Q在内存中都可以访问的一块大小固定的内存缓冲区。这个内存缓冲区本质上就是一个循环队列。
• 进程P往“管道”中依次写入数据，进程Q从管道中依次读取数据。管道中的数据符合“先进先出（First In First Out,FIFO）”的原则，先被进程P写入的数据也会被进程Q先读取。而在共享存储的方式中，P想往这一块存储区域的什么地方写就往什么地方写，Q想从什么地方读就从什么地方读，P没有写入限制，Q没有读取限制，很自由。

管道通信的特点

• 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。如果要实现全双工通信，则需要设置两个管道。

• 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现)
• 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。
• 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。
• 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:①一个管道究许多个写进程，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)。

总结：管道通信和共享存储的区别和联系

特征	管道通信	共享存储
通信方式	单向通信，只支持单向数据流	双向通信，支持双向数据流
数据传输	通过管道传输数据，通常是字符或字节流	数据存储在共享的内存区域中
进程关系	通常用于父子进程之间的通信	适用于任意进程间的通信
同步/异步	通常是同步的，一个进程写入，另一个进程读取	可以是同步或异步，具体取决于实现方式
性能	适用于小量数据的传输，轻量级通信	适用于大量数据的共享，但需要考虑同步和互斥
通信开销	有一定的通信开销，因为数据需要在管道中传递	通信开销较小，直接读写内存区域
实现难度	相对简单，适用于简单的通信需求	相对复杂，需要考虑同步、互斥和内存管理等方面

05 线程的概念与特点

（1）什么是线程

• 传统的进程是程序执行流的最小单位
• 引入线程之后，线程成为了程序执行流的最小单位，是一个基本的CPU执行单元。进程内的各线程之间也可以并发，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）；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）

（2）引入了线程机制带来的变化

（3）线程的属性

特性	描述
处理机调度单位	线程是处理机调度的基本单位，可独立执行和调度
多CPU支持	在多CPU计算机中，不同线程可以占用不同的CPU
标识符	每个线程有唯一的线程ID，用于标识和区分不同的线程
线程控制块（TCB）	每个线程有自己的线程控制块，用于保存线程的状态信息
基本状态	线程有就绪、阻塞、运行等基本状态
系统资源拥有	线程几乎不拥有系统资源，共享进程的资源
资源共享	同一进程的不同线程之间共享进程的资源，如内存地址空间
通信方式	由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信无需系统干预
同一进程切换开销	切换同一进程内的线程开销较小，不会引起整个进程的切换
不同进程切换开销	切换不同进程中的线程会引起整个进程切换，系统开销相对较大

06 线程实现方式和多线程模型

线程的实现可以分为两类：用户级线程（User-Level Thread，ULT）和内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）。

（1）用户级线程（User-Level Thread，ULT）

描述：在用户级线程中，有关线程管理的所有工作都由应用程序在用户空间中完成，内核意识不到线程的存在。
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){处理视频聊天的代码;}
	if ( i==1){处理文字聊天的代码;}
	if ( i==2){处理文件传输的代码;}
	i = (i+1)83;//i的值为0,1,2,0,1,2.. .
	}
}

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作三个“线程”。while循环就是一个最弱智的“线程库”，线程库完成了对线程的管理工作（如调度）

很多编程语言提供了强大的线程库，可以实现线程的创建、销毁、调度等功能。

线程管理的工作由谁来完成

用户级线程的管理工作是由应用程序通过线程库完成的，并不是操作系统负责的。

线程切换是否需要CPU变态

线程切换是由线程库应用程序自己完成的，在用户态下就可以完成线程的切换工作，不需要操作系统干涉。

操作系统是否能意识到用户级线程的存在

他只知道这个进程是一块代码，但在这块代码里又被分为了几个线程，操作系统是意识不到这些线程的存在的。

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（从上面的伪代码可以看到），并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。

（2）内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）

描述：内核级线程即操作系统支持的线程。

1.线程管理的工作由谁来完成

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

2.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。

3.操作系统是否能意识到用户级线程的存在

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”

4.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。
• 

（3）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。

模型	一对一模型	多对一模型	多对多模型
描述	每个线程对应一个独立的执行线程，退化为纯粹的内核级线程的线程实现方式	多个线程共享一个执行线程，由调度器管理 ，退化为纯粹的用户级线程的实现方式	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
图片
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。	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	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。
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。	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	—

（4）用户级线程和内核级线程小结

• 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CPU分配的单位。 例如多核CPU的环境下，上表的一对多模型这个进程最多可以被分配两个核。
• 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
  

07 线程的状态与转换

08 线程的组织与控制