进程与线程

一、进程的概念

1.1 进程的定义

程序：就是一个指令序列

早期的计算机只支持单道程序：同一时间内只允许一个程序执行

程序的代码存放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）。

后来出现了多道程序技术：内存中同时放入躲到程序，各个程序的代码、运算数据存放位置不同，那么操作系统如何找到各个程序？

为了方便操作系统管理，完成各程序的并发执行，引入了进程、进程实体的概念

系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如进程代码存放位置）

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体(进程映像)。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程,例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。

注意：PCB是进程存在的唯一标准

从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有:

1进程是程序的一次执行过程。
2进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3.进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
上述三者都强调“动态性”

引入进程实体的概念后，可把进程定义为:
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。

注:严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，讲程则是动态的。

1.2 进程的组成

进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分

程序段：存放程序代码

数据段：程序运行时使用、产生的运算数据。如全局变量、局部变量、宏定义的常量就存放在数据段内

PCB：操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息

1.3 进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。
注:进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

链接方式

索引方式

1.4 进程的特征

1.5 小结

二、进程的状态和转换

2.1 进程的状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

2.2 进程状态的转换

注意:不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态(因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求)

2.3 小结

三、进程控制

3.1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。

简化理解:反正进程控制就是要实现进程状态转换

3.2 如何进行进程控制

用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。这种不可被中断的操作即原子操作。
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现

显然，关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令

3.3 进程控制相关的原语

学习技巧:进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情:
1.更新PCB中的信息(如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
a所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
b剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境

2.将PCB插入合适的队列

3.分配/回收资源

相关的原语

3.4 小结

四、进程通信

顾名思义，进程通信就是指进程之间的信息交换。

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。

但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。

4.1 共享存储

两个进程对共享空间的访问必须是互斥的(互斥访问通过操作系统提供的工具实现)。
操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具(如P、V操作)

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。

基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

4.2 管道通信

“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区

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。

各进程要互斥地访问管道。
数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write() 系统调用将被阻塞，等读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read() 系统调用将被阻塞。（缓冲区的特性）
如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。（缓冲区的特性）
数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

4.3 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。

4.4 小结

五、线程

5.1、概念

5.1.1 为什么引入线程

还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。如下QQ与音乐软件不能同时执行。

引入进程后多个程序可以经由CPU交替执行，呈现共同执行的效果。但是又产生了一个问题，程序里的功能如果需要同时执行该怎么做？如你想同时使用QQ的视频和文字聊天功能？

进程是程序的一次执行，是按顺序执行的。但这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的

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。

可以把线程理解为“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。

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，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）。

线程则作为处理机的分配单元。

5.1.2 发生的变化

5.1.3 线程的属性

5.2 线程的实现方式

用户级线程

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，并意识不到线程的存在。（“用户级线程”对用户不透明，对操作系统透明）

可以理解为，“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, KLT, 又称“内核支持的线程”）

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。

两者结合使用

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上(n>=m)

重点重点重点:
操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

例如:左边这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行

5.3、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

多对一模型

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

一对一模型

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。

多对多模型

多对多模型：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线程库户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

可以这么理解：
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

5.4、小结

参考视频：王道计算机考研操作系统

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