操作系统中进程与线程关系

电玩女神 2022-08-24 05:23 212阅读 0赞

> > > > > > > > > 进程与线程

前言：进程和线程是计算机操作系统中非常重要的内容，也是计算机专业就业面试过程中必问的题目，笔试中必考的题目，今天花一点时间整理下，本身自己也学的不太精，现在整理一下思路，并且用代码实现，进一步理解他的原理。

进程是操作系统提供的一种抽象，即使cpu只有一个，他们也支持（伪）并发操作的能力。他们将单个的cpu变换成多个虚拟的cpu。

进程的定义并没有标准的说法：

关于进程的概念，除了“正在执行的程序”这一点，我觉得还有两点要加以强调。

1，   进程是为描述并行发展出来的一种模型。

2，   进程是一种抽象概念。

笼统的说，进程是正在执行的程序。在较高的层次上，进程是一个抽象概念，是描述并行的一种模型。在较低的层次上，包括进程映像的结构、执行的细节和在进程间切换处理机的方法。

在进程模型中，计算机上所有可运行的软件，通常也包括操作系统，被组织成若干顺序进程，简称进程。一个进程就是一个正在执行的程序的实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值，每个进程都拥有自己虚拟的cpu。

进程和程序的区别：进程是某种类型的一个活动，它有程序、输入、输出以及状态。程序就是一段可以执行的代码，像磁盘上的exe、dll等，程序是死的，进程是活的。如果把进程比作是一个菜谱，进程就是按照菜谱做菜的整个过程。

有4中主要事件导致进程的创建：

1.系统初始化

2.执行了正在运行的进程所调用的进程创建系统调用。

3.用户请求创建一个新进程。

4.一个批处理作业的初始化。

进程的终止：

1.正常退出（自愿的）

2.出错退出（自愿的）

3.严重错误（非自愿的）

4.被其他进程杀死（非自愿的）

进程的状态：

1.运行态

2.就绪态

3.阻塞态

![94bd4fad-7787-42d9-9fbf-7eed88daa070.png_resizeSmall_width_572][]

为了实现进程模型，操作系统维护着一种进程表，每个进程都占用一个进程表项。

![3033dc48-679d-487e-9d6e-58938707442e.png_resizeSmall_width_572][]

进程是对运行中的程序的一个抽象，有了这个抽象才能使多个程序在内存中并发的运行。多道程序设计可以提高cpu的利用率。

线程

线程是进程的执行单元，在传统操作系统中，每个进程有一个地址空间和一个控制线程。

线程的优点：1.同一个进程中可以并行的运行多个顺序线程

2.线程是轻量级的，上下文切换快。

3.提高了程序运行的性能。

线程模型：

![38bcf395-efd4-426f-97cd-90e5d00d86ac.png_resizeSmall_width_572][]

所有的线程都共享进程的地址空间，除此之外，所有的线程还共享同一个打开的文件集，子进程、报警已经相关信号。包括同一个网络接口。

线程主要分为两种：用户级线程和内核级线程。

![d37188ac-db51-4a58-9872-c8162b05c498.png_resizeSmall_width_572][]

用户级线程可有用户自行编写相关的调度算法，并且在硬件不支持多线程的机器上同样可以使用，并且用户级线程比内核级线程更快。其中一个线程阻塞，则这个进程阻塞。

内核级线程由操作系统调用，多个线程可以争取到更多的时间片。缺点是上下文切换耗时，资源消耗较大。

混合模式：

![b632b7d3-efa9-4009-95de-04e37fbf435b.png_resizeSmall_width_572][]

3进程间通信

为什么进程间要通信？

竞争条件，多个进程协作完成某个任务，这个时候就需要进程间的通信来保证任务的完成，这些协作的进程可能共享的读写一些公共的共享的存储区。

凡事涉及共享内存、共享文件以及共享任何资源的情况都会引发同步问题，我们需要互斥的访问这些共享的资源。

我们对共享内存进行访问的程序片段称作临界区域或临界区。那么下面的问题就是如何实现对临界区进行互斥访问了。

忙等待的互斥：

1.屏蔽中断。

使每个进程在刚刚进入临界区后立即屏蔽所有中断，并在就要离开之前再打开中断。缺点很多，基本不能适用。

2锁变量

设想有一个共享锁变量，其初始值为0，当一个进程想进入临界区时，它首先测试这把锁，如果是0，则该进程将其设置为1并进去临界区，若为1，则等待其为0。缺点：没有考虑并发的情况。

3.严格轮换法

![0b90f726-92e7-4082-9fa7-9eeeae50fb1a.png_resizeSmall_width_572][]

4.Peterson解法

![677c29fd-a9e0-4f05-903e-3b0f5e7f3dea.png_resizeSmall_width_572][]

5.TSL指令

通过硬件来完成互斥，主要的思路是通过锁住数据总线，以禁止其他cpu在本指令结束之前访问内存。

2.3.5信号量

用一个整形变量来累计唤醒的次数，以供后使用。信号量是一个新的类型，他的取值可以是0或者正值。Dijkstra这货建议设立两种操作：down和up（分别表示一般化的sleep和wakeup），对信号量执行down操作，则是检查其值是否大于0，若该值大于0，则将其减1；若该值为0则，使其sleep。

2.3.6互斥量

如果不需要信号量的计数能力，有时可以使用信号量的一个简化版本，称为互斥量。

2.3.7管程

管程有一个很重要的特性，即任意时刻管程中只能有一个活跃的进程，这个一特性使管程能有效的完成互斥。

·························调度·························

调度算法的目标：

所有系统：

公平------给每个进程公平的cpu份额

策略强制性执行-------看到所宣布的策略执行

平衡-------保持系统的所有部分都忙碌

批处理系统：

吞吐量------------每小时最大作业数

周转时间----------从提交到终止时间的最小时间

cpu利用率---------保持cpu始终忙碌

交互式系统：

响应时间---------快速响应请求

均衡性------------满足用户的期望

实时系统：

满足截止时间-------------避免丢失数据

可预测性-------------在多媒体系统中避免品质降低

批处理系统中的调度：

1.先来先服务

2.最短作业优先

![159d08d6-ad17-43e0-bf9e-b9b5c2f3f667.png_resizeSmall_width_572][]

3.最短剩余时间优先

最短作业优先的一个抢占版本是最短剩余时间优先算法，调度程序总是选择剩余运行时间最短的那个进程运行。

交互式系统中的调度

1.轮转调度

每个进程被分配一个时间段，称为时间片，即允许该进程在该时间段中运行。如果在时间片结束时该进程还在运行，则将剥夺cpu并分配给另一个进程。

![fad95b1a-c8ec-48b7-a623-c82949ba92fd.png_resizeSmall_width_572][]

2.优先级调度

![e0e8eb1b-b541-46e5-bae3-5c2678d5d39f.png_resizeSmall_width_572][]

3.多级队列

属于最高级别的运行一个时间片，属于次高级别的运行2个时间片，再次一级的运行4个时间片，以此类推。

4.最短进程优先

通过运行最短的作业使响应时间最短。

5.保证调度

保证每个进程都获取相同的cpu时间片。

6.彩票调度

[94bd4fad-7787-42d9-9fbf-7eed88daa070.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/94bd4fad-7787-42d9-9fbf-7eed88daa070.png?resizeSmall&width=572
[3033dc48-679d-487e-9d6e-58938707442e.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/3033dc48-679d-487e-9d6e-58938707442e.png?resizeSmall&width=572
[38bcf395-efd4-426f-97cd-90e5d00d86ac.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/38bcf395-efd4-426f-97cd-90e5d00d86ac.png?resizeSmall&width=572
[d37188ac-db51-4a58-9872-c8162b05c498.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/d37188ac-db51-4a58-9872-c8162b05c498.png?resizeSmall&width=572
[b632b7d3-efa9-4009-95de-04e37fbf435b.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/b632b7d3-efa9-4009-95de-04e37fbf435b.png?resizeSmall&width=572
[0b90f726-92e7-4082-9fa7-9eeeae50fb1a.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/0b90f726-92e7-4082-9fa7-9eeeae50fb1a.png?resizeSmall&width=572
[677c29fd-a9e0-4f05-903e-3b0f5e7f3dea.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/677c29fd-a9e0-4f05-903e-3b0f5e7f3dea.png?resizeSmall&width=572
[159d08d6-ad17-43e0-bf9e-b9b5c2f3f667.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/159d08d6-ad17-43e0-bf9e-b9b5c2f3f667.png?resizeSmall&width=572
[fad95b1a-c8ec-48b7-a623-c82949ba92fd.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/fad95b1a-c8ec-48b7-a623-c82949ba92fd.png?resizeSmall&width=572
[e0e8eb1b-b541-46e5-bae3-5c2678d5d39f.png_resizeSmall_width_572]: https://app.yinxiang.com/shard/s33/res/e0e8eb1b-b541-46e5-bae3-5c2678d5d39f.png?resizeSmall&width=572