详解《操作系统》之进程与线程

迈不过友情╰ 2024-04-17 20:14 11阅读 0赞

一、**进程的基本定义：**  
**进程实体（进程映像）** ：由**程序段、数据段、PCB**三部分组成。一般情况下，我们把进程实体称为进程。注意 ：所谓创建进程，实质上是**创建进程实体中的PCB**；而撤销进程，实质上是**撤销进程实体中的PCB**，**PCB是进程存在的唯一标志**。

程序段：**程序代码的存放地**。  
数据段：程序**运行时使用、产生的运算数据**。例如：全局变量、局部变量、宏定义的常量等就存放在数据段内。  
PCB：即进程控制块，其中**包含操作系统对其进行管理所需的各种信息**（进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单、处理及相关信息等 ），因此，操作系统通过PCB来管理进程。

从不同角度，进程可以有不同定义，比较传统的典型的定义有：  
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（**强调动态性**），提示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。  
严格来讲：**进程实体和进程不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的**。一般来讲，我们可以认为进程实体就是进程，所以就有了进程是由程序段、数据段、PCB三部分组成的说法。

进程的组织：**链接方式、索引方式**。  
**链接方式**：系统持有一系列指针包括 **执行指针**（指向当前处于运行态的进程）、**就绪队列指针**（指向当前处于就绪态的进程）、**阻塞队列指针**（指向当前处于阻塞态的进程，很多操作系统会根据阻塞原因的不同，再分为多个阻塞队列）。对于执行指针，在单CPU计算机中，同一时刻只会有一个进程处于运行态。；对于就绪队列指针，通常会把优先级高的进程放在队头。  
**索引方式**：同链接方式一样，它含有执行指针、就绪表指针、阻塞表指针，与链接方式不同的是**它的指针指向的是该状态下的索引表，而每一个索引表的表项又会指向每一个对应的PCB**，操作系统会为不同的进程建立不同的索引表。

进程的特性：  
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**二、进程的状态与转换**：进程三种基本状态：**运行态、就绪态、阻塞态**。  
**运行态**：占有CPU，并在CPU上运行。单核处理机环境下，每一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）  
**就绪态**：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行。进程已经拥有了除处理机之外所有需要的资源，一旦获得处理机，即可立即进入运行态开始运行。即万事俱备，只欠CPU。  
**阻塞态**：又称等待态，指因等待某一事件而暂时不能运行。

除了基本状态，进程还存在另外的两种状态：创建态、终止态。  
创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB。  
终止态：又称结束态，进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB。  
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进程控制：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NjE0NTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
用**原语**实现对进程的控制，特点是**执行期间不允许中断**，只能一气呵成。他的实现是通过**关中断指令**和**开中断指令**。当执行关中断指令的时候，如果此时有外部中断信号的介入，系统会忽略它，在执行完响应的原语代码之后会给出开中断指令，这个时候系统才会处理之前的外部中断指令。因此我们可以发现**开/关中断指令的权限很大**，因此它是只允许**在核心态下执行的特权指令**。所以**原语**自然也就**运行在核心态**。  
**原语主要做的事情**（三个部分）：  
1.更新PCB中的信息。例如，所有进程控制原语一定都会修改程状态标识；剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境；某进程开始运行前必然要恢复其运行环境。  
2.将PCB插入到合适的队列。  
3.分配/回收资源。

**三、进程通信**：是指进程之间的信息交换。  
进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的**内存地址空间相互独立**，为了安全起见，一个进程**不能直接访问**另一个进程的地址空间。  
但是进程的通信是必须的，因此操作系统就提供了：**共享存储**、**消息传递**、**管道通信**来使进程可以进行正常的通信。  
1.**共享存储**：两个进程对共享空间的**访问必须是互斥**的（互斥的实现通过操作系统提供的工具来实现）。共享存储分为**基于数据结构**的共享和**基于存储区**的共享。其中，基于数据结构的共享速度慢，限制条件多，是一种**低级通信**方式；基于存储区的共享是在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置均由进程自己决定，这种共享方式速度更快，是一种**高级通信**方式。

2.**管道通信**：管道是指内存中的一个**大小固定的缓冲区**。  
其特点为：  
①管道只能采用**半双工通信**，如果想实现双向同时通信，则需要设置两个管道。  
②各进程互斥的访问管道。  
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()将被阻塞，只有当读进程将数据全部取走时，管道变空，此时读进程的read()将被阻塞。  
④**数据没有写满时不允许读，数据没有被读空就不允许写**。  
⑤数据一旦被读出就会从管道中删除，因此**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。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”**原语**进行数据的交换。格式化的消息会被分为**消息头**和**消息体**两部分。消息头中包括发送进程ID、接受进程ID、消息类型等格式化信息（简单讲就是含有一些为了保证不会识别错误的标志物）。  
消息传递的两种方式：直接通信方式和间接通信方式。直接通信方式是将消息直接挂到接受进程的消息缓冲队列上；间接通信方式是将消息先通过发送原语发送到中间实体（信箱）中，然后接受进程从信箱中将消息一 一读取，由于消息头的存在，因此基本不用担心读错了的问题。  
**四、线程：** 是一个基本的**CPU执行单元**，也是**程序执行流的最小单位**。可以将其理解为”轻量级进程“。引入线程之后，不仅进程之间可以并发，进程内的线程之间也可以并发，从而**提升了系统的并发度**。**进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元**，也就是说，**系统资源会给到进程，而不是线程**，而线程是调度的基本单位。  
1.**用户级线程**：由应用程序通过线程库实现，所有的管理工作由应用程序负责（包括线程切换），用户级线程中，**线程切换可以在用户态下完成，不需要操作系统干预**，因此操作系统是看不到线程的存在的。我们可以认为**用户级线程**就是**从用户角度可以看到的线程**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NjE0NTI0_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
2.**内核级线程**：**线程的管理工作由操作系统内核完成**，线程调度等任务都需要由内核负责，因此内核级线程的切换需要在**核心态**下才可以完成。同样，我们可以认为**内核级线程就是从操作系统内核的视角可以看到的线程**。  
注意：如果我们采用内核级线程和用户级线程组合使用的话，只有 **内核级线程才是处理及分配的单位**。因此我们的资源只会交给内核级线程，换句话说，资源分配只和内核级线程的个数有关。  
3.**多线程模型**：多个用户级线程映射到多个内核级线程。  
其中包括**多对一模型**：多个用户级线程映射到一个内核级线程。优点是不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。缺点是当一个用户级线程被阻塞之后整个进程都会被阻塞，因此他的并发度不高。  
**一对一模型**：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程都有与用户级线程同等数量的内核级线程。优点是并发能力强，即一个线程被阻塞之后别的线程还可以继续执行。缺点是线程管理的成本高，开销大，因为一个用户级进程会占用多个内核级线程。  
**多对多模型**：n个用户级线程映射到m个内核级线程。**克服了多对一模型并发度不高**的特点，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。**

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