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第二章 進程管理 - 進程、線程

目錄

• 第二章 進程管理 - 進程、線程
• • • 進程的概念
    • 進程的創(chuàng)建
    • PCB
    • 程序是如何運行的？
    • 進程的特征
    • 進程的5種狀態(tài)
    • • 創(chuàng)建態(tài)
      • 就緒態(tài)
      • 運行態(tài)
      • 阻塞態(tài)
      • 終止態(tài)
    • 進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換
    • 進程的組織方式
    • 進程控制
    • • 如何實現(xiàn)原語的原子性？
      • 進程控制相關(guān)的原語
    • 進程通信
    • • • 1、共享存儲
        • 2、管道通信
        • 3、消息傳遞
    • 線程
    • • 為什么引入線程？
      • 線程的屬性
      • 線程的實現(xiàn)方式
      • • 1、用戶級線程
        • 2、內(nèi)核級線程
        • 3、多線程模型
        • • 一對一模型
          • 多對一模型
          • 多對多模型

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進程的概念

進程是進程實體的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。（線程是調(diào)度的基本單位）

程序：是靜態(tài)的，是一個存放在磁盤里的可執(zhí)行文件，是一系列指令的集合

進程：是動態(tài)的，是程序的一次執(zhí)行過程

例如，同時掛三個QQ號，會對應(yīng)三個QQ進程，它們的PCB、數(shù)據(jù)段各不相同，但程序段的內(nèi)容都是相同的（都是運行著相同的QQ程序）

進程的創(chuàng)建

當(dāng)進程被創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)會為該進程分配一個唯一的、不重復(fù)的“身份證號”—— PID（Process ID，進程ID）

PCB

進程相關(guān)的信息都被保存在一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)PCB （Process Control Block）中，即進程控制塊

操作系統(tǒng)需要對各個并發(fā)運行的進程進行管理，但凡管理時所需要的信息，都會被放在PCB中

程序是如何運行的？

一個進程實體（進程映像）由 PCB、程序段、數(shù)據(jù)段 組成。

進程是動態(tài)的，進程實體（進程映像，類似于快照的概念）是靜態(tài)的。

進程實體反應(yīng)了進程在某一時刻的狀態(tài)（如：x++后，x=2）

• PCB 是給操作系統(tǒng)用的
• 程序段、數(shù)據(jù)段是給進程自己用的。

進程的特征

進程的5種狀態(tài)

創(chuàng)建態(tài)

進程正在被創(chuàng)建時，它的狀態(tài)是“創(chuàng)建態(tài)”，在這個階段操作系統(tǒng)會為進程分配資源、初始化PCB

就緒態(tài)

當(dāng)進程創(chuàng)建完成后，進入“就緒態(tài)”，處于就緒態(tài)的進程已經(jīng)具備運行條件，但由于沒有空閑CPU，就暫時不能運行。當(dāng)CPU空閑時，操作系統(tǒng)就會選擇一個就緒進程，讓它上處理機運行

運行態(tài)

如果一個進程此時在CPU上運行，那么這個進程處于“運行態(tài)”，CPU會執(zhí)行該進程對應(yīng)的程序（執(zhí)行指令序列）

阻塞態(tài)

在進程運行的過程中，可能會請求等待某個事件的發(fā)生（如等待某種系統(tǒng)資源的分配，或者等待其他進程的響應(yīng)）。在這個事件發(fā)生之前，進程無法繼續(xù)往下執(zhí)行，此時操作系統(tǒng)會讓這個進程下CPU，并讓它進入“阻塞態(tài)”，當(dāng)CPU空閑時，又會選擇另一個“就緒態(tài)”進程上CPU運行

終止態(tài)

一個進程可以執(zhí)行 exit 系統(tǒng)調(diào)用，請求操作系統(tǒng)終止該進程。此時該進程會進入“終止態(tài)”，操作系統(tǒng)會讓該進程下CPU，并回收內(nèi)存空間等資源，最后還要回收該進程的PCB。當(dāng)終止進程的工作完成之后，這個進程就徹底消失了。

進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

進程PCB中，會有一個變量state 來表示進程的當(dāng)前狀態(tài)。如：1表示創(chuàng)建態(tài)、2表示就緒態(tài)、3表示運行態(tài)…

為了對同一個狀態(tài)下的各個進程進行統(tǒng)一的管理，操作系統(tǒng)會將各個進程的PCB組織起來。

進程的組織方式

大多數(shù)操作系統(tǒng)采用鏈接方式。

進程控制

進程控制的過程要一氣呵成，不可以被打斷，用原語來實現(xiàn)。

例如，“將PCB的state設(shè)為1” “將PCB從阻塞隊列放入就緒隊列” 這兩個步驟，不能被打斷

如何實現(xiàn)原語的原子性？

原語的執(zhí)行具有原子性，即執(zhí)行過程只能一氣呵成，期間不允許被中斷。

可以用“關(guān)中斷指令”和“開中斷指令”這兩個特權(quán)指令實現(xiàn)原子性。

正常情況下，CPU每執(zhí)行完一條指令，都會例行檢查是否有中斷信號需要處理，如果有，則暫停運行當(dāng)前這段程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。

而 CPU 執(zhí)行了關(guān)中斷指令之后，就不再例行檢查中斷信號，直到執(zhí)行開中斷指令之后才會恢復(fù)檢查。

這樣，關(guān)中斷、開中斷之間的這些指令序列就是不可被中斷的，這就實現(xiàn)了“原子性”

進程控制相關(guān)的原語

理解即可，不需要記憶

進程通信

顧名思義，進程通信就是指進程之間的信息交換。

進程是分配系統(tǒng)資源的單位（包括內(nèi)存地址空間），因此各進程擁有的內(nèi)存地址空間相互獨立。

為了保證安全，一個進程不能直接訪問另一個進程的地址空間。但是進程之間的信息交換又是必須實現(xiàn)的。為了保證進程間的安全通信，操作系統(tǒng)提供了一些方法。

1、共享存儲

• 基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的共享：比如共享空間里只能放一個長度為10的數(shù)組。這種共享方式速度慢、限制多，是一種低級通信方式

• 基于存儲區(qū)的共享：在內(nèi)存中畫出一塊共享存儲區(qū)，數(shù)據(jù)的形式、存放位置都由進程控制，而不是操作系統(tǒng)。相比之下，這種共享方式速度更快，是一種高級通信方式。

2、管道通信

“管道”是指用于連接讀寫進程的一個共享文件，又名pipe文件。其實就是在內(nèi)存中開辟一個大小固定的緩沖區(qū)。

管道只能采用半雙工通信，某一時間段內(nèi)只能實現(xiàn)單向的傳輸。如果要實現(xiàn)雙向同時通信，則需要設(shè)置
兩個管道。

各進程要互斥地訪問管道。

數(shù)據(jù)以字符流的形式寫入管道，當(dāng)管道寫滿時，寫進程的 write() 系統(tǒng)調(diào)用將被阻塞，等待讀進程將數(shù)據(jù)
取走。當(dāng)讀進程將數(shù)據(jù)全部取走后，管道變空，此時讀進程的 read() 系統(tǒng)調(diào)用將被阻塞。

如果沒寫滿，就不允許讀。如果沒讀空，就不允許寫。

數(shù)據(jù)一旦被讀出，就從管道中被拋棄，這就意味著讀進程最多只能有一個，否則可能會有讀錯數(shù)據(jù)的情
況。

3、消息傳遞

進程間的數(shù)據(jù)交換以格式化的消息（Message）為單位。進程通過操作系統(tǒng)提供的“發(fā)送消息/接收消息”兩個原語進行數(shù)據(jù)交換。

線程

為什么引入線程？

有的進程可能需要“同時”做很多事，而傳統(tǒng)的進程只能串行地執(zhí)行一系列程序。為此，引入了“線程”，來增加并發(fā)度。

可以把線程理解為“輕量級進程”。線程是一個基本的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單位。引入線程之后，不僅是進程之間可以并發(fā)，進程內(nèi)的各線程之間也可以并發(fā)，從而進一步提升了系統(tǒng)的并發(fā)度，使得一個進程內(nèi)也可以并發(fā)處理各種任務(wù)（如QQ視頻、文字聊天、傳文件）

引入線程后，進程只作為除CPU之外的系統(tǒng)資源的分配單元（如打印機、內(nèi)存地址空間等都是分配給進程的）。線程則作為處理機的分配單元。

線程的屬性

線程的實現(xiàn)方式

1、用戶級線程

用戶級線程由應(yīng)用程序通過線程庫實現(xiàn)，所有的線程管理工作都由應(yīng)用程序負(fù)責(zé)（包括線程切換）

用戶級線程中，線程切換可以在用戶態(tài)下即可完成，無需操作系統(tǒng)干預(yù)。

在用戶看來是多個線程。但是在操作系統(tǒng)內(nèi)核看來，并意識不到線程的存在。

優(yōu)缺點

• 優(yōu)點：用戶級線程的切換在用戶空間即可完成，不需要切換到核心態(tài)，線程管理的系統(tǒng)開銷小
• 缺點：當(dāng)一個用戶級線程被阻塞后，整個進程都會被阻塞，并發(fā)度不高。多個線程不可在多核處理機上并行運行。

2、內(nèi)核級線程

內(nèi)核級線程的管理工作由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成。

線程調(diào)度、切換等工作都由內(nèi)核負(fù)責(zé)，因此內(nèi)核級線程的切換必然需要在核心態(tài)下才能完成。

操作系統(tǒng)會為每個內(nèi)核級線程建立相應(yīng)的TCB（Thread Control Block，線程控制塊），通過TCB對線程進行管理?！皟?nèi)核級線程”就是“從操作系統(tǒng)內(nèi)核視角看能看到的線程”

優(yōu)缺點
優(yōu)點：當(dāng)一個線程被阻塞后，別的線程還可以繼續(xù)執(zhí)行，并發(fā)能力強。多線程可在多核處理機上并行執(zhí)行。
缺點：一個用戶進程會占用多個內(nèi)核級線程，線程切換由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成，需要切換到核心態(tài)，因此線程管理的成本高，開銷大。

操作系統(tǒng)只“看得見”內(nèi)核級線程，因此只有內(nèi)核級線程才是處理機分配的單位。

3、多線程模型

一對一模型

一個用戶級線程映射到一個內(nèi)核級線程。每個用戶進程有與用戶級線程同數(shù)量的內(nèi)核級線程。

• 優(yōu)點：當(dāng)一個線程被阻塞后，別的線程還可以繼續(xù)執(zhí)行，并發(fā)能力強。多線程可在多核處理機上并行執(zhí)行。
• 缺點：一個用戶進程會占用多個內(nèi)核級線程，線程切換由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成，需要切換到核心態(tài)，因此線程管理的成本高，開銷大。

多對一模型

多個用戶級線程映射到一個內(nèi)核級線程。且一個進程只被分配一個內(nèi)核級線程。

• 優(yōu)點：用戶級線程的切換在用戶空間即可完成，不需要切換到核心態(tài)，線程管理的系統(tǒng)開銷小，效率高
• 缺點：當(dāng)一個用戶級線程被阻塞后，整個進程都會被阻塞，并發(fā)度不高。多個線程不可在多核處理機上并行運行

多對多模型

n 個用戶級線程映射到m 個內(nèi)核級線程（n >= m）

• 優(yōu)點：克服了多對一模型并發(fā)度不高的缺點（一個阻塞全體阻塞），又克服了一對一模型中一個用
  戶線程庫 進程占用太多內(nèi)核級線程，開銷太大的缺點。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第二章 进程管理1 - 进程、线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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