操作系统 |进程管理

落日映苍穹つ 2022-12-12 15:16 127阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、进程(Process)概念
 *   *  (1)进程定义
     *  (2)进程的组成
     *  (3)进程和程序的比较
     *  (4)进程的特点
     *  (5)进程控制结构
 *  二、进程状态(State)
 *   *  (1)进程的生命周期管理
     *  (2)进程状态变化模型
     *  (3)进程挂起
     *  (4)状态队列
 *  三、线程(Thread)
 *   *  (1)为什么使用线程？
     *  (2)什么是线程
     *  (3)进程和线程的比较
     *  (3)线程的实现
 *  四、进程控制
 *   *  (1)进程切换
     *  (2)进程创建
     *  (3)进程等待和终止

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# 一、进程(Process)概念 #

## (1)进程定义 ##

进程定义：一段程序在一个数据集合上的一次运行过程。

## (2)进程的组成 ##

*  程序的代码。
 *  程序处理的数据。
 *  程序计数器中的值，指示下一条将运行的指令。
 *  一组通用的寄存器的当前值，堆、栈。
 *  一组系统资源(如打开的文件)

总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息。

## (3)进程和程序的比较 ##

进程和程序的`联系`：

*  ①程序是进程的基础：程序的每次运行构成不同的进程。  
    ②进程是程序功能的体现。  
    ③通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系， 一个进程可包括多个程序。

进程和程序的`区别`：

*  ①进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合，进程是程序的执行。  
    ②进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可以长久保存。  
    ③进程的组成包括程序，数据和进程控制块。

> 关于进程和线程的关系，人们常常用做饭来进行类比：
> 
>  *  **食谱：程序，原料：数据，厨师：cpu，做菜：进程。**  
>     假如在做菜的过程中，家里的妻子受伤了，此时厨师可以在食谱上做一个标记（把状态信息记录下来），然后打开医疗手册，按照指示为妻子处理伤口。**即CPU从一个进程(做菜)，切换到了另一个进程(医疗救护)。**

## (4)进程的特点 ##

①动态性：可以动态地创建，结束进程。  
②并发性：进程可以被独立调度并占用处理机运行。  
③独立性：不同进程的工作不相互影响。  
④制约性：因访问共享资源，或进程间同步而产生制约。

## (5)进程控制结构 ##

> 程序 = 数据结构 + 算法。  
> 实际上，OS也是一个程序，OS = PCB + 进程调度算法。  
> PCB(Process Control Block,pcb)即进程控制块，OS为每个进程都维护了一个PCB，用来保存与该进程有关的各种状态信息。

进程控制块PCB：PCB是进程存在的唯一标识，保存了与该进程有关的各种状态信息。

进程的创建：即为该进程生成一个PCB；进程的终止：即回收它的PCB。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>PCB包含三大类信息</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>进程标识信息</td> 
   <td>本进程的标识、父进程的标识、用户标识等</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cpu状态信息保存区</td> 
   <td>保存进程的运行现场信息。如用户可见寄存器、控制和状态寄存器、栈指针。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>进程控制信息</td> 
   <td>调度和状态信息、进程间通信信息、存储管理信息、进程所用资源、有关数据结构连接信息</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

PCB的组织方式：

*  链表：各状态的进程形成不同的链表，如就绪链表、阻塞链表。
 *  索引表：各状态的进程形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索引表。
 *

# 二、进程状态(State) #

## (1)进程的生命周期管理 ##

进程的状态代表了进程生命周期的过程，包括`进程创建`、`进程运行`、`进程等待`、`进程唤醒`、`进程结束`。

**①进程创建**

引起进程创建的3个主要事件：

*  系统初始化时。
 *  用户请求创建一个新进程。
 *  正在运行的进程执行了创建进程的系统调用。

**②进程运行**

进程创建好之后，内核需要选择一个就绪的进程，让它占用cpu并执行。如何选择就绪进程就涉及到后续的调度算法问题。

**③进程等待/阻塞**

以下情况，进程将会进入等待：

*  请求并等待系统服务，无法马上完成。
 *  启动某种操作，无法马上完成。
 *  需要的数据没有到达。

`进程只能自己阻塞自己`，因为只有进程自身才知道何时需要等待某种事件的发生。

**④进程唤醒**

唤醒进程的原因：

*  被阻塞进程需要的资源可被满足
 *  被阻塞进程等待的事件到达
 *  将该进程的PCB插入到就绪队列

`进程只能被别的进程或操作系统唤醒`。

**⑤进程结束**

出现以下情况，进程结束：

*  正常退出(自愿的)
 *  错误退出(自愿的)
 *  致命错误(强制性的)
 *  被其他进程所杀(强制性的)

## (2)进程状态变化模型 ##

进程在生命结束前处于且仅处于三种基本状态之一：

*  运行状态(Running)：当一个进程正在处理机上运行时。
 *  就绪状态(Ready)：一个进程获得了除cpu之外的一切所需资源，一旦得到cpu即可运行。
 *  等待状态（Blocked）：一个进程正在等待某一事件而暂停运行时。如等待某资源，等待输入/输出完成。

进程其它的基本状态：

*  创建状态(New)：一个进程正在被创建，还没被转到就绪状态之前的状态。
 *  结束状态(Exit)：一个进程正在从系统中消失时的状态，这是因为进程结束或由于其他原因所导致。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

上面的进程状态变化图中特别需要注意的是 **运行状态→准备状态**，出现这一情况的可能原因是cpu资源被其他进程所占据，时间片轮转或是高优先级进程。

## (3)进程挂起 ##

使用进程挂起，是为了合理且充分地利用系统资源。进程挂起时，意味着进程没有占用内存空间，处在挂起状态的进程映像在磁盘上。挂起即把一个进程从内存转到外存。

*  阻塞挂起状态：进程在外存并等待某事件的出现。
 *  就绪挂起状态：进程在外存，但只要进入内存，即可运行。

与挂起相关的状态转换：

*  阻塞→阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资源时，会进行这种转换，以提交新进程或运行就绪进程。
 *  就绪→就绪挂起：当有高优先级阻塞（系统认为会很快就绪的）进程和低优先级就绪进程时，系统会选择挂起低优先级就绪进程。
 *  运行→就绪挂起：对于抢先式分时系统，当有高优先级阻塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可能会把运行进程转到就绪挂起状态。

在外存时的状态转换：

*  阻塞挂起到就绪挂起：当有阻塞挂起进程因相关事件出现时，系统会把阻塞挂起进程转换为就绪挂起进程。

解挂/激活(Activate)：把一个进程从外存转到内存，可能有以下几种情况：

*  就绪挂起→就绪：没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程时，会进入这种转换。
 *  阻塞挂起→阻塞：当一个进程释放足够内存时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统认为会很快出现所等待的事件）进程转换为阻塞进程。

## (4)状态队列 ##

由操作系统来维护一组队列，用来标识系统当中所有进程的当前状态。

不同的状态分别用不同的队列来表示（就绪队列、各种类型的阻塞队列）。

每个进程的PCB都根据它的状态加入到相应的队列当中，当一个进程的状态发生变化时，它的PCB从一个状态队列中脱离出来，加入到另外一个队列。

# 三、线程(Thread) #

## (1)为什么使用线程？ ##

线程满足以下特性:

*  线程之间可以并发地执行。
 *  线程之间共享相同的地址空间。

## (2)什么是线程 ##

线程就是进程当中的一条执行流程，**线程=进程-共享资源**。

*  从资源组合的角度看：进程把一组相关的资源组合起来，构成了一个资源平台(环境)，包括地址空间(代码段、数据段)、打开的文件等各种资源。
 *  从运行的角度看：代码在这个资源平台上的一条执行流程(线程)。

线程的优点：

*  一个进程中可以同时存在多个线程；
 *  各个线程之间可以并发地执行；
 *  各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源。

线程的缺点：

*  一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃。

## (3)进程和线程的比较 ##

*  ①进程是资源分配单位；线程是cpu调度单位。  
    ②进程拥有一个完整的资源平台；线程只独享必不可少的资源，如寄存器和栈。  
    ③线程同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系。  
    ④线程能减少并发执行的时间和空间开销：同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信。

## (3)线程的实现 ##

线程的实现主要有三种方式：

①用户线程：在用户空间实现，操作系统看不到，由用户线程库来实现对线程的管理。

*  用户线程的维护由相应进程(线程库函数)来完成，不需要操作系统内核了解用户线程的存在，可用于不支持线程技术的多进程OS。
 *  每个进程都需要它自己的线程控制块(TCB)列表，用来跟踪记录它的各个线程的状态信息(PC、栈指针、寄存器)，TCB由线程库函数来维护。
 *  用户线程的切换也是由线程库函数完成的，无需用户态/核心态切换，所以速度很快。
 *  允许每个进程拥有自定义的线程调度算法。

用户线程的缺点：

*  如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程进入等待。
 *  当一个线程开始允许后，除非它主动地交出CPU的使用权，否则它所在的进程当中的其他线程将无法运行。
 *  多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会较慢。

②内核线程：在内核中实现的一种线程机制，由OS内核来完成线程的创建、终止和管理。

*  在支持内核线程的OS中，由内核来维护进程和线程的上下文信息(PCB和TCB)。
 *  线程的创建、终止和切换都是通过系统调用/内核函数的方式来进行，由内核来完成，因此系统开销较大。
 *  在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行。
 *  时间片分配给线程，多线程的进程获得更多CPU时间。

③轻量级进程(也称混合线程)：是内核支持的用户线程。一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持。(Solaris/Linux)

# 四、进程控制 #

## (1)进程切换 ##

进程切换(也称作进程的上下文切换)，指的是停止当前运行进程(从运行状态改变成其他状态，并且调度另一个进程(从就绪态转变为运行状态)。

进程切换的要求：

*  切换前，保存进程上下文。(如需要保存寄存器(PC，SP…)，CPU状态，内存地址空间信息)
 *  切换后，恢复进程上下文。
 *  快速切换。(通常是10毫秒一次)

OS为活跃进程准备了进程控制块(PCB)，并将进程控制块放在合适的队列里。

## (2)进程创建 ##

进程创建是OS提供给用户的一个系统调用，用来完成新进程的创建工作，不同OS中创建进程的API是不同的：

*  Windows中进程创建API：CreateProcess(filename)
 *  Unix中进程创建API：fork/exec  
    fork()把一个进程复制成两个进程，parent(old PID)，child(new PID)；exec()用新进程来重写当前进程。PID没有改变。

## (3)进程等待和终止 ##

wait()系统调用是父进程用来等待子进程的结束。

*  一个子进程向父进程返回一个值，所以父进程必须接受这个值并处理。
 *  当子进程调用exit()时，OS解锁父进程，并将通过exit()传递得到的返回值作为wait调用的一个结果(连同子进程的pid一起)如果这里没有子进程存活，wait()立刻返回。

当子进程执行完exit()之后，且父进程还没有将子进程的进程控制块等资源回收时，子进程并未死亡，且不处于就绪态、等待态，运行态，而是处于僵尸状态(zombie)。

进程都具有父子关系，最早的进程称为祖宗进程(root Process)，它会定期扫描整个PCB列表，看是否有进程处于僵尸状态，如果有进程处于僵尸状态，它会代替这个进程的父进程完成资源回收操作。另外，进程终止是最终的垃圾收集(垃圾回收)。  
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