《计算机操作系统》总结（二）—进程与线程

进程

进程基本定义：

• 进程的定义：

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一个数据集合上运行的过程。进程是操作系统的资源分配的基本单位。

**进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位**

• 进程的特征：

1. 动态性：进程是程序的一次执行，它有着创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，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：是指多个进程实体，同存在于内存中，能在一段时间内同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也是操作系统的重要特征。
3. 独立性：是指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位。
4. 异步性：由于进程的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。
5. 结构性：每个进程都配置一个PCB对其进行描述。

进程的组成：

• 从结构上看，进程实体由程序段、数据段、进程控制块（PCB）三部分组成。
• 进程控制块PCB：

1. 为了使参与并发执行的程序能独立地运行，必须为之配置一个专门的数据结构，即进程控制块（PCB），系统利用PCB来描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。
2. 进程控制块PCB保存：进程状态、进程性质、与进程有关的控制信息、相应队列、现场保护区域等。
3. 创建进程：实质上是创建进程映像中的PCB；撤销进程实质上是撤销进程的PCB。
4. PCB是进程存在的唯一标志。

• 程序段：是指能够被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段。（note：程序可以被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序）
• 数据段：可以是进程对应的程序加工处理的原始数据；也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。

**程序是进程运行所对应的运行代码，一个进程对应一个程序，一个程序可以同时对应多个进程**

进程的状态与转换：

• 运行状态：进程正在处理机上运行。
• 就绪状态：进程已处于准备运行状态（即：进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行）。
• 阻塞状态（又称为等待状态）：进程正在等待某一时间而暂停运行，如等待某资源为可用（不包括处理机）或等待输入/输出完成。即使处理机空闲，该进程也不能运行。
• 创建状态：进程正在被创建，尚未转到就绪状态。
• 结束状态：进程正从系统中消失。这可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。当进程需要结束运行时，系统首先必须置进程为结束状态，然后再进一步处理资源释放和回收等工作。

**进程在运行过程中实际上是频繁地转换到就绪状态**

进程之间的转换如下：

• 就绪->运行：处于就绪状态的进程被调度后，获得处理机资源，于是进程就由就绪状态转为运行状态。
• 运行->就绪：处于运行状态的进程在时间片用完后，不得不让出处理机，从而进程由运行状态转换为就绪状态。此外，在可剥夺的操作系统中，当有更高优先级的进程就绪时，调度程序将正在执行的进程转为就绪状态，让更高优先级的进程执行。
• 运行->阻塞：当进程请求某一资源的使用和分配或等待某一事件的发生时，它就从运行状态转为阻塞状态。
• 阻塞->就绪：当进程等待的事件到来时，如I/O操作结束或中断结束时，中断处理程序必须把相应进程的状态由阻塞转为就绪状态。

进程的控制：

• 进程控制的主要功能：对系统中的所有进程实施有效的管理，具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。一般把进程控制用的程序段称为原语，原语的特点是：执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。
• 进程的创建：允许一个进程创建另一个进程。此时创建者为父进程，被创建的进程为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源。当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获取的资源归还给父进程；在撤销父进程时，也必须同时撤销其所有的子进程。
• 操作系统创建一个新进程的过程如下：

1. 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB。（PCB有限，若PCB申请失败则创建失败）
2. 为进程分配资源。为新进程的程序和数据、以及用户栈分配必要的内存空间（若内存空间不足，则处于“等待状态”，即等待内存资源）
3. 初始化PCB。主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息、初始化处理机控制信息、设置进程的优先级等。
4. 如果成功就绪队列能够接纳新进程，就将新进程插入到就绪队列，等待被调度运行。

• 进程的终止：

引起进程终止的事件有：

1. 正常结束（表示进程的任务已经完成和准备退出运行）；
2. 异常结束（指进程在运行时，发生了某种异常事件，使程序无法继续运行）；
3. 外界干预（指进程应外界的请求而终止运行，如操作员或操作系统干预、父进程请求、父进程终止等）

• 操作系统终止进程的过程如下：

1. 根据被终止进程的标志符，检索PCB，从中读出该进程的状态。
2. 若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的执行，将处理机资源分配给其他进程。
3. 若该进程还有子进程，则应将其所有子进程终止。
4. 将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程或归还给操作系统。
5. 将该PCB从所在队列中删除。

• 进程的阻塞和唤醒：正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，则由系统自动执行阻塞原语，使自己由运行状态变为阻塞状态。进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，因此只有处于运行状态的进程，才能将其转为阻塞状态。
• 阻塞（Block）原语的执行过程：

1. 找到将要被阻塞的进程的标识号对应的PCB。
2. 若该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转换为阻塞状态，停止运行。
3. 把该PCB插入到相应事件的等待队列中去。

**当被阻塞的进程所期待的事件出现时，则由有关进程调用唤醒原语，将等待该事件的进程唤醒**

• 唤醒（Wakeup）原语的执行过程：

1. 在该事件的等待队列中找到相应进程的PCB。
2. 将其从等待队列中移出，并置其状态为就绪状态。
3. 把该PCB插入就绪队列中，等待调度程序调度。

**Block原语和Wakeup原语是一对作用刚好相反的原语，必须成对使用**

• 进程切换：是指处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行。任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

切换进程的过程如下：

1. 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2. 更新PCB。
3. 把进程的PCB移入相应的队列。
4. 选择另一个进程运行，并更新其PCB。
5. 更新内存管理的数据结构。
6. 恢复处理机上下文。

**进程切换与处理机模式切换是不同的。模式切换时，处理机逻辑上可能还在同一个进程中运行。但若切换进程，当前运行进程改变了，则当前进程的环境信息也需要改变**

进程的通信

• 进程通信的定义：是指进程之间的信息交换。
• 高级的通信方式如下：

1. 共享存储：在通信的进程之间存在一块可以直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行读/写操作实现进程之间的信息交换。
2. 消息传递：若通信的进程之间不存在可以直接访问的共享空间，则必须利用操作系统提供的消息传递方式实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息这两个原语进行数据交换。
3. 管道通信：是消息传递的一种特殊方式。是指用于连接一个读进程和一个写进程，以实现它们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。

线程

线程的基本概念：

• 引入进程的目的：为了使多道程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量。
• 引入线程的目的：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。
• 线程的定义：别名“轻量级进程”，是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和运行的基本单位。线程自己不拥有系统资源，但它可以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一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

线程的属性：

• 线程是一个轻型实体，它不拥有系统资源。但每个线程都应有一个唯一的标识符和一个线程控制块，线程控制块记录了线程执行的寄存器和栈等现场状态。
• 不同的线程可以执行相同的程序，即同一个服务程序被不同的用户调用，操作系统为它们创建成不同的线程。
• 同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的全部资源。
• 线程是处理机的独立调度单位，多个线程是可以并发执行的。在单CPU的计算机系统中，各线程可交替地占用CPU；在多CPU的计算机系统中，各线程可同时占用不同的CPU，若各个CPU同时为一个进程内的各线程服务，则可以缩短进程的处理时间。
• 一个线程被创建后便开始了它的生命周期，直至终止，线程在生命周期内会经历阻塞态、就绪态、运行态等各种状态变化。

进程与线程的比较：

• 调度。在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。在引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行线程切换，如从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
• 拥有资源。不论是传统操作系统还是设有线程的操作系统，进程都是拥有资源的基本单位，而线程不拥有系统资源，但线程可以访问其隶属进程的系统资源。
• 并发性。在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且多个线程之间也可以并发执行。从而使操作系统具有更好的并发性，提高了系统的吞吐量。
• 系统开销。由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等，因此操作系统所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程CPU环境的保存以及新调度到进程CPU环境的设置；而线程切换时，只需保存和设置少量的寄存器内容，开销很小。此外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此，这些线程之间的同步与通信非常容易实现，甚至无需操作系统的干预。
• 地址空间和其他资源。进程的地址空间之间独立。同一进程的各线程间共享进程的资源，某进程内的线程对于其他进程不可见。
• 通信方面。进程间通信需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。而线程之间可以直接读/写进程数据段（如全局变量）来进行通信。
• 其他：一个进程至少有一个线程；多个线程可以同时执行。

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