【操作系统】进程与线程1

梅落南山 / 2023-05-18 / 原文

进程

程序：静态的，存储于磁盘里的可执行文件，是一系列的指令集合
进程：动态的，程序的一次执行过程。进程实体=PCB+程序段+数据段。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。
进程控制块（Process Control Block PCB）：是进程存在的唯一标志。保存进程描述信息，进程控制和管理信息，资源分配清单，处理机相关信息

进程的特征

动态性
并发性
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
异步性：各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致运行结果的不确定性
结构性

进程状态

就绪态：操作系统为进程分配资源、初始化PCB，完成创建，等待CPU执行进程
运行态：进程此时在CPU上运行
阻塞态：进程运行时，请求等待某个事件发生，进程无法继续执行，进入阻塞态
终止态：进程执行exit系统调用，操作系统回收内存资源，最后回收PCB
fivestates
进程的状态转换过程需要用原语实现。
进程控制相关原语：

创建原语：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
撤销原语：某种状态->终止态。从PCB集合找到终止进程的PCB，终止其所有子进程，归还资源，删除PCB
阻塞原语：运行态->阻塞态。找到阻塞的PCB，保护进程运行现场，将PCB插入相应事件的等待队列
唤醒原语：阻塞态->就绪态。找到等待队列的PCB，将其从队列移除，设置进程为就绪态，插入就绪队列
切换原语：运行态->就绪态，就绪态->运行态。将运行环境（寄存器信息）存入PCB，PCB移入相应队列；选择进程执行，更新PCB，根据PCB恢复新进程所需运行环境

进程通信

进程间通信：Inter-Process Communication IPC，指两个进程间的信息交互。
方法一：实现共享存储区
为避免出错，各个进程对共享空间的访问互斥。
基于存储区的共享：OS在内存中划出一块共享存储区。数据的形式、存放位置由通信进程控制。速度很快。
基于数据结构的共享：共享空间中只能放特定的数据形式，速度慢，限制多，是一种低级通信方式。
方法二：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“原语进行数据交换。
直接通信方式：发送方指明接收进程ID
间接通信方式：以”信箱“作为中间实体进行消息传递。
方法三：管道通信
”管道“是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。实质是在内存中开辟一个大小固定的循环队列式内存缓冲区。先写后读。
一个管道只能采用半双工通信，如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
各进程要互斥访问管道
当管道写满时，写进程阻塞。当管道为空时，读进程阻塞。
为避免多个进程同时读同一个管道时，数据错乱：一个管道允许多个写进程，一个读进程；或通过OS控制多个读进程有序读数据。

线程

引入线程后，线程是调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位。

各线程之间也能并发，提升了并发度。
每个线程都有一个线程ID、线程控制块TCB。
同一进程的不同线程间共享进程资源。
同一进程内的线程切换，不需要切换进程环境，系统开销小。不同进程的线程切换，会引起进程切换。

线程实现方式

用户级线程：User-Level Thread ULT。早期OS只支持进程，线程是由编程语言提供的线程库实现并管理的。OS意识不到用户级线程的存在。

优：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。系统开销小，效率高
缺：当一个线程被阻塞后，整个程序都会被阻塞，并发度不高。

int i=0;
while(true){
	if(i==0) run thread1();
	if(i==1) run thread2();
	if(i==2) run thread3();
	i=(i+1)%3;
}

内核级线程：Kernel-Level Thread KLT。线程的管理工作由OS内核完成。线程的切换必须在核心态下完成。OS为每个线程建立TCB。

优：一个线程被阻塞后，其他线程可继续执行，并发能力强
缺：线程管理成本高，开销大。

多线程模型：

一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程（类似纯内核级线程）
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。（类似纯用户级线程）
多对多模型：n用户级线程映射到m个内核级线程（n>=m）。

线程的状态转换

线程状态转换

调度

高级调度：作业调度。按一定原则从外存的作业后备队列中选择一个作业调入内存，并为其创建进程。每个作业只调入一次，作业调入时建立PCB，调出时撤销PCB。外存->内存（面向作业）
中级调度：内存不足时，将某些进程的数据调入外存，等内存空闲或进程需要运行时再重新调入内存。暂时调入外存等待的进程状态为挂起状态。外存->内存（面向进程）
低级调度：进程调度/处理机调度。按某种策略从就绪队列种选择一个进程，将处理机分配给它。内存->CPU
七状态转换

进程调度的时机

当前运行进程主动放弃处理机
- 进程正常终止
- 运行过程中发生异常而终止
- 进程主动请求阻塞
被动放弃
- 分给进程的时间片用完
- 有更紧急的事处理
- 有更高优先级的进程进入就绪队列
  不能进行进程调度与切换的情况

处理中断的过程中
进程在OS内核程序临界区中
原子操作过程中

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源，各进程需要互斥访问临界资源。
临界区：访问临界资源的那段代码
内核临界区：用来访问某种内核数据结构的，如不尽快释放，极可能影响到OS内核的其他管理工作。

进程调度方式

非剥夺调度方式：非抢占式，只允许进程阻塞或退出才触发调度程序工作。
系统开销小，但无法及时处理紧急任务。适用于早期批处理系统
剥夺调度方式：抢占方式，如果有更重要或更迫切的进程需要使用调度机，立即暂停当前正在执行的进程，将处理机分配给后来者进程。
可以优先处理更紧急的进程，也可以让各进程按照时间片轮流执行（时钟中断控制）。适用于分时、实时操作系统