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2.1. 进程

2.1.1 进程

1. 定义

程序：一个指令序列

进程控制块（PCB）、程序段、数据段三部分构成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体简称为进程，例如，创建进程，实质上是创建进程实体的 PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体的 PCB。

Caution

PCB 是进程存在的唯一标志。

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。
引入进程实体的概念后，可以把进程定义为

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。

2. 进程的组成

2.1 程序段

程序代码

2.2 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、宏定义常量。

2.3 PCB 进程控制块

  • 进程描述信息
    • 进程标识符 PID
    • 用户标识符 UID
  • 进程控制和管理信息
    • 进程当前状态
    • 进程优先级
  • 资源分配清单
    • 程序段指针
    • 数据段指针
    • 键盘 鼠标
  • 处理机相关信息
    • 各种寄存器

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。

Note

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

3.1 链接方式

按照进程状态将 PCB 分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针。

public/os/2-1-01.png

3.2 索引方式

根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针。

public/os/2-1-02.png

4. 进程的特征

4.1 动态性

进程是程序的一次执行过程，是动态的产生、变化和消亡的。

4.2 并发性

内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。

4.3 独立性

进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位。

4.4 异步性

各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，OS 要提供“进程同步机制”来解决异步问题。

4.5 结构性

每个进程都会配置一个 PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB 组成。

2.1.2 进程的状态与转换

1. 进程的状态（三态/五态）

1.1 运行态

占有 CPU，并在 CPU 上运行

Note

单核处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行态。双核环境下可以同时有两个进程处于运行态。

1.2 就绪态

已经具备运行条件，但由于没有 CPU，暂时不能运行。

1.3 阻塞态（等待态）

因等待某一时间暂时不能运行。

1.4 创建态（新建态）

进程正在被创建，OS 为进程分配资源、初始化 PCB。

1.5 终止态（结束态）

进程正在从系统中撤销，OS 会回收进程拥有的资源、撤销 PCB。

2. 进程状态的转换

public/os/2-1-03.png

Caution

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）

2.1.3 进程控制

1. 概念

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实时有效的管理，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。简言之，实现进程状态的转换。

2. 如何实现

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，即原子操作。原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。

public/os/2-1-04.png

原语的关/开中断指令权限非常大，是只允许在核心态下执行的特权指令。

3. 进程控制相关的原语

3.1 原语所要完成的工作

  1. 更新 PCB 中的信息
  2. 将 PCB 插入合适的队列
  3. 分配/回收资源

3.2 进程的创建

  • 创建原语（无 → 创建态 → 就绪态）
    • 申请空白 PCB
    • 为新进程分配所需资源
    • 初始化 PCB
    • 将 PCB 插入就绪队列
  • 引起进程创建的事件
    • 用户登录
    • 作业调度
    • 提供服务
    • 应用请求

3.3 进程的终止

  • 撤销原语（就绪/等待/运行态 → 终止态 → 无）
    • 从 PCB 集合中找到终止进程的 PCB
    • 若进程正在运行，立即剥夺 CPU，将 CPU 分配给其他进程
    • 终止其所有子进程
    • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
    • 删除 PCB
  • 引起进程终止的事件
    • 正常结束
    • 异常结束
    • 外界干预

3.4 进程的阻塞和唤醒

阻塞原语和唤醒原语必须成对使用

进程的阻塞
  • 阻塞原语
    • 找到要阻塞的进程对应的 PCB
    • 保护进程运行现场，将 PCB 状态信息设置为“阻塞态”，暂停进程运行
    • 将 PCB 插入相应事件的等待队列
  • 引起进程阻塞的事件
    • 需要等待系统分配某种资源
    • 需要等待互相合作的其他进程完成工作
进程的唤醒
  • 唤醒原语
    • 在事件等待队列中找到 PCB
    • 将 PCB 从等待队列移出，设置进程为就绪态
    • 将 PCB 插入就绪队列，等待被调度
  • 引起进程唤醒的事件
    • 等待的事件发生

3.5 进程的切换

  • 切换原语
    • 将运行环境存入 PCB
    • PCB 移入相应队列
    • 选择另一个进程执行，并更新其 PCB
    • 根据 PCB 恢复新进程所需的运行环境
  • 引起进程切换的事件
    • 当前进程时间片到
    • 有更高优先级的进程到达
    • 当前进程主动阻塞
    • 当前进程终止

2.1.4 进程通信

进程通信即进程之间的信息交换。

进程是分配系统资源的单位，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。

  • 并发进程之间的交互必须满足两个基本要求：同步和通信
  • 进程之间互相交换信息的工作称为进程通信
    • 信号 (signal) 通信机制
    • 管道 (pipeline) 通信机制
    • 消息传递 (message passing) 通信机制
    • 信号量 (semaphore) 通信机制

1. 共享存储

在内存中开辟共享空间供不同进程通信。两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，进程 1 在访问时进程 2 不能进行访问（互斥访问通过 OS 提供的工具实现）。

1.1 基于数据结构的共享

共享空间内只能放规定数据结构的有限的数据。速度慢，限制多，是一种低级通信方式。

1.2 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 OS。速度更快，是一种高级通信方式。

2. 管道通信

管道是指用于连接读写进程的一个共享文件。其实是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。

Note
  1. 管道只能采取半双工通信，某一时间段内只能实现单向传输。
  2. 各进程要互斥地访问管道。
  3. 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，等待都进程将数据取走。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。
  4. 如果没有写满，就不允许读。如果没有读空，就不允许写。
  5. 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。

3. 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 OS 提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

3.1 直接通信方式

消息直接挂到接收进程的消息缓冲区上。

3.2 间接通信方式

消息要先发送到中间实体（信箱），因此也称“信箱通信方式”。

2.1.5 线程

1. 概念

1.1 为何引入线程

有的进程可能需要同时做很多事，而传统的进程只能串行的执行一系列程序，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元。进程之间可以并发，进程内各线程之间也可以并发。

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）。

public/os/cpu-process-thread.excalidraw.svg

1.2 引入线程机制后的变化

  • 资源分配、调度
    • 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位
    • 引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
  • 并发性
    • 传统只能进程间并发
    • 引入后各线程间也能并发，提高了并发度
  • 系统开销
    • 传统需要切换进程的运行环境，开销大
    • 线程间，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，开销小

2. 线程的属性

  • 线程是处理机调度的单位
  • 多 CPU 计算机中，各线程可占用不同的 CPU
  • 每个线程偶有一个线程 ID、线程控制块 TCB
  • 线程也有就绪、等待、运行三态
  • 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
  • 同一进程中线程的切换，不会引起进程切换，开销小
  • 不同进程中的线程切换，会引起进程切换，开销较大

3. 线程的实现方式

3.1 用户级线程

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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）

3.2 内核级线程

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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。

3.3 二者组合

在同时支持用户级、内核级线程的系统中，将 n\displaystyle{ n } 个用户级线程映射到 m\displaystyle{ m } 个内核级线程上 (n⩾m)(n\geqslant m)

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。

public/os/2-1-07.png

上面的模型中，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。

2.1.6 多线程模型

1. 多对一模型

多个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

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。

public/os/2-1-05.png

2. 一对一模型

即变成了纯粹的内核级线程。一个用户及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。

public/os/2-1-06.png

3. 多对多模型

将 n\displaystyle{ n } 个用户级线程映射到 m\displaystyle{ m } 个内核级线程上 (n⩾m)(n\geqslant m)。每个用户进程对应 m\displaystyle{ m } 个内核级线程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点，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。

public/os/2-1-07.png

public/os/jinchengxiancheng.excalidraw.png

^multi-thread