进程与线程基本概念

计算机中，CPU是最宝贵的资源，为了提高CPU的利用率，引入了多道程序设计的概念。当内存中多个程序存在时，如果不对人们熟悉的“程序”的概念加以扩充，就无法刻画多个程序共同运行时系统呈现出的特征。

 

一、进程的引入

多道程序系统中，程序具有：并行、制约以及动态的特征。程序概念便难以合适地反映系统中的情况：

1. 程序是一个静态的概念

程序是完成某个功能的指令集和。系统实际上是出于不断变化的状态中，程序不能反映这种动态性。

2. 程序概念不能反映系统中的并行特性

例如：两个C语言源程序由一个编译程序完成编译，若用程序概念理解，内存中只有一个编译程序运行（两个源程序看作编译程序的输入数据），但是这样无法说明白内存中运行着两个任务。程序的概念不能表示这种并行情况，反映不了他们活动的规律和状态变化。就像不能用菜谱（程序）代替炒菜（程序执行的过程）一样（这句话我稍微修改了一下，感觉应该是这样表诉才对）。

 

二、进程的定义

进程：一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度运行的基本单位。

 

三、进程与程序的差别

1. 进程是一个动态的概念

进程是程序的一次执行过程，是动态概念。

程序是一组有序的指令集和，是静态概念。

2. 不同的进程可以执行同一个程序

区分进程的条件：所执行的程序和数据集合。

两个进程即使执行在相同的程序上，只要他们运行在不同的数据集合上，他们也是两个进程。例如：多个用户同时调用同一个编译程序编译他们编写的C语言源程序，由于编译程序运行在不同的数据集合（不同的C语言源程序）上，于是产生了一个个不同的进程。

3. 每个进程都有自己的生命周期

当操作系统要完成某个任务时，它会创建一个进程。当进程完成任务之后，系统就会撤销这个进程，收回它所占用的资源。从创建到撤销的时间段就是进程的生命期。

4. 进程之间存在并发性

在一个系统中，同时会存在多个进程。他们轮流占用CPU和各种资源。

5. 进程间会相互制约

进程是系统中资源分配和运行调度的单位，在对资源的共享和竞争中，必然相互制约，影响各自向前推进的速度。

6. 进程可以创建子进程，程序不能创建子程序

7. 从结构上讲，每个进程都由程序、数据和一个进程控制块（Process Control Block, PCB）组成

四、进程的重要特征

1. 动态特征：进程对应于程序的运行，动态产生、消亡，在其生命周期中进程也是动态的。

2. 并发特征：任何进程都可以同其他进程一起向前推进。

3. 独立特征：进程是相对完整的调度单位，可以获得CPU，参与并发执行。

4. 交往特征：一个进程在执行过程中可与其他进程产生直接或间接关系。

5. 异步特征：每个进程都以相对独立、不可预知的速度向前推进。

6. 结构特征：每个进程都有一个PCB作为他的数据结构。

进程最基本的特征是并发和共享特征。

五、进程的状态与转换

1. 进程的三种基本状态

a. 运行状态：获得CPU的进程处于此状态，对应的程序在CPU上运行着。

b. 阻塞状态：为了等待某个外部事件的发生（如等待I/O操作的完成，等待另一个进程发来消息），暂时无法运行。也成为等待状态。

c. 就绪状态：具备了一切运行需要的条件，由于其他进程占用CPU而暂时无法运行。

2. 进程状态转换

a. 运行状态 ===> 阻塞状态：例如正在运行的进程提出I/O请求，由运行状态转化为阻塞状态。

b. 阻塞状态 ===> 就绪状态：例如I/O操作完成之后，由阻塞状态转化为就绪状态。

c. 就绪状态 ===> 运行状态：例如就绪状态的进程被进程调度程序选中，分配到CPU中运行，由就绪状态转化为运行状态。

d. 运行状态 ===> 就绪状态：处于运行状态的进程的时间片用完，不得不让出CPU，由运行状态转化为就绪状态。

 

3.状态挂起 

挂起：在一个进程从内存转到外存

处在挂起状态的进程映像在磁盘上，目的是减少进程占用内存。

• 等待挂起状态：进程在外存并等待某事件的出现
• 就绪挂起状态：进程在外存，但只要进入内存，即可运行

4.与挂起相关的状态转换

a. 阻塞状态 ===> 阻塞挂起状态：没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多的内存资源。

b. 就绪状态 ===> 就绪挂起状态：当有高优先级阻塞进程和低优先级就绪进程。

c. 运行状态 ===> 就绪挂起状态：对抢先式分时系统，当有高优先级等待挂起进程因事件出现而进入就绪挂起。

d. 阻塞挂起状态 ===> 就绪挂起状态：当有阻塞挂起进程因相关事件出现。

 

5. 进程的类型

a. 系统进程：操作系统用来管理资源的进程，当系统进程处于运行态时，CPU处于管态，系统之间的关系由操作系统负责。

b. 用户进程：操作系统可以独立执行的的用户程序段，当用户进程处于运行态时，CPU处于目态，用户进程之间的关系由用户负责。

六、进程控制块

1. 进程的三个组成部分

a. 程序

b. 数据

c. 进程控制块（PCB）：为了管理和控制进程，系统在创建每个进程时，都为其开辟一个专用的存储区，用以记录它在系统中的动态特性。系统根据存储区的信息对进程实施控制管理。进程任务完成后，系统收回该存储区，进程随之消亡，这一存储区就是进程控制块。

PCB随着进程的创建而建立，撤销而消亡。系统根据PCB感知一个进程的存在，PCB是进程存在的唯一物理标识（这一点可以类比作业控制块JCB）。

2. 进程控制块的内容

PCB在不同的语言中，可能用不同的数据结构表示。为了系统管理和控制进程方便，系统常常将所有进程的PCB存放在内存中系统表格区，并按照进程内部标号由小到大顺序存放。

整个系统中各进程的的PCB集合可用数组表示。这时进程内部标号可以与数组元素下标联系。

各系统预留的PCB空间往往是固定的，如UNIX系统中规定进程数量不超过50个。

操作系统不同，PCB的格式、大小及内容也不尽相同。一般的，应该包含如下四个信息。

a. 标识信息：进程名。

b. 说明信息：进程状态、程序存放位置。

c. 现场信息：通用寄存器内存、控制寄存器内存、断点地址。

d. 管理信息：进程优先数、队列指针。

 

七、进程控制块的组织

系统中，有着许多不同状态的进程，处于阻塞状态的进程阻塞原因各不相同，为了便于调度和管理，常将进程控制块PCB用适当的方法组织起来。

1. 线性结构

把所有不同状态的进程的PCB组织在一个表格中。

最简单，适用于进程数目不多的操作系统，如UNIX系统，缺点是调用时，往往需要查询整个PCB表，时间复杂度略高。

2. 索引结构

分别把具有不同状态的进程PCB组织在同一个表中，于是有就绪进程表、运行进程表（多机系统中，还有现在的多核系统应该也有吧）以及各种等待事件的阻塞进程表。

系统中的一些固定单元分别指出各表的起始地址。

3. 链式结构

采用队列形式时，每个进程的PCB中要增加一个链指针表项，指向队列的下一个PCB起始地址。

为了对这些队列进行管理，操作系统要做三件事：

a. 把处于同一状态的进程的PCB通过各自队列的指针链接在一起，形成队列。

b. 为每一个队列设立一个对头指针，总是指向队首的PCB。

c. 排在队尾的PCB的队列指针项内容应该是“-1”或者一个特殊符号，表示这是队尾PCB。

在单CPU系统中，任何时刻都只有一个处于运行态的进程

所有处于阻塞队列中的PCB应该根据产生阻塞的原因今进行排队，每一个都称为阻塞队列，比如等待磁盘I/O的阻塞队列，等待打印机输出的阻塞队列。

七、线程的基本概念
1.引入线程的目的

引入进程的目的是为了更好地使用多道程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量，增加并发程度；

而引入线程，则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

2. 线程的定义

线程最直接的理解就是轻量级进程，它是基本的CPU执行单位，也是程序执行流的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。由于一个进程内部有多个线程，如果线程的切换发生在同一个进程内部，则只需要很少的时空开销。
3.线程与进程的关系

线程 = 进程 - 共享资源

4.线程与进程的比较

• 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位。
• 进程拥有一个完整的资源平台，而线程值独享指令流执行的必要资源，如寄存器和栈。
• 进程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态和状态间的转换关系。
• 线程能减少并发执行的时间和空间开销

1. 线程的创建时间比进程短。
2. 线程的终止时间比进程短。
3. 同一进程内的线程切换时间比进程短。
4. 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可不通过进行直接通信。

一个进程应该包括：

• 程序的代码
• 程序处理的数据
• 程序计数器中的值，指示下一条将运行的指令
• 一组通用的寄存器的当前值，堆、栈
• 一组系统资源（如打开的文件）

总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息。

 

进程与程序的联系

• 程序是产生进程的基础
• 程序的每次运行构成不同的进程
• 进程是程序功能的体现
• 通过多次执行，一个程序徐可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。 

八、线程的三种实现方式

1. 用户线程：有一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等。

 

•  用户线程的特征：

1. 不依赖于操作系统的内核：内核不了解用户线程的存在
2. 在用户空间实现的线程机制：每个进程有私有的线程控制块（TCB）列表，TCB由线程库函数维护
3. 同一线程的用户线程切换速度快：无需用户态/核心太切换
4. 允许每个进程拥有自己的线程调度算法

• 用户线程的不足：

1. 线程发起系统调用而阻塞时，则整个进程进入等待。
2. 不支持基于线程的处理机抢占：除非当前运行线程主动放弃，它所在的进程的其他线程无法抢占CPU
3. 只能按进程分配CPU时间：多个线程进程中，每个线程的时间片太少

2. 内核线程：由内核通过系统调用实现的线程机制，有内核完成线程的创建、终止和管理。

•  内核线程的特征：

1. 由内核维护PCB 和TCB
2. 线程执行系统调用而被阻塞不影响其他线程
3. 线程的创建、终止和切换相对较大：通过系统调用/内核函数，在内核实现
4. 以线程为单位进行CPU时间分配：多线程的进程可获得更多CPU时间

3. 轻量级进程：内核支持的用户线程，一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程有一个单独的内核线程来支持。

 4.用户线程与内核线程的对应关系

 

九、上下文切换

1.将cpu硬件状态从一个进程切换到另一个进程的过程称为上下文切换。

2.进程运行时，其硬件状态保存在cpu上的寄存器中 ，包括寄存器，程序计数器，程序状态寄存器，栈指针，通用寄存器，其他控制寄存器的值。

3.进程不运行时，这些寄存器的值保存在进程控制块PCB中，当操作系统要运行一个新的进程时，将PCB中的相关值送到对应的寄存器中

九、进程控制

1. 进程创建

• Windows进程创建API：CreateProcess(filename)

1. 创建时关闭所有在子进程里的文件描述符：CreateProcess（filename，CLOSE_FD）
2. 创建时改变子进程的环境：CreateProcess（filename，CLOSE_FD, new_envp）

•  Unix进程创建系统调用：fork / exec

1. fork () 把一个子进程复制成两个进程：parent（old PID），child（new PID）
2. exec () 用新程序来重写当前进程：PID没有改变

用fork和exec创建进程的示例

int pid = fork();              //创建子进程
if(pid = 0){                    //子进程在这里继续
// do anything(unmap memory,close net connections)
exec("program", argc, argv0, argv1);
}

• fork () 创建一个继承的子进程

1. 复制父进程的所有变量和内存
2. 复制父进程的所有CPU寄存器（有一个寄存器例外）

• fork () 的返回值

1. 子进程的fork () 返回0
2. 父进程的fork () 返回子进程标识符
3. fork () 返回值可方便后续使用，子进程可使用getpid () 获取PID