计算机操作系统之三：进程与线程的描述与控制

矫情吗；* 2022-06-18 01:49 197阅读 0赞

## 3.1 进程的引入 ##

> ### 3.1.1 程序的并发执行及特点 ###

> > 为了提高计算机的利用率、处理速度和系统的处理能力，并行处理技术和并发程序设计技巧在计算机中得到广泛应用，成为现代操作系统的基本特征之一。所谓程序的并发执行是指：若干个程序段同时在系统中运行，这些程序段的执行在时间上是重叠的，一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始，及时这种重叠式很小的一部分。
> 
> ### 3.1.2 并发执行的特点 ###

> >  *  程序执行的间断性（异步性）
> >  *  资源分配的动态性
> >  *  程序并发执行的相互制约性
> >  *  相互通信的可能性
> >  *  同步与互斥的必要性：有合作关系的各程序不仅需要相互通信，而且还要随时调整他们之间的相对速度，这就是同步的必要性，另外，系统中的许多资源必须是互斥使用的，否则会引起并发系统中所特有的不确定性错误，这些就是互斥的必要性。

## 3.2 进程的概念 ##

> ### 3.1.1 进程的定义 ###

> > 进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。
> 
> ### 3.1.2 进程的特点 ###

> >  *  动态性：进程是一个动态的概念，而程序是一个静态的概念。程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，具有生命期，它动态的被创建，并被调度执行，执行完成后销往。
> >  *  并发性。
> >  *  独立性。
> >  *  制约性：主要表现在护持的使用资源和相关进程之间必要的同步和通信。
> >  *  结构性：进程由程序、数据集合和描述其运行过程的数据结构（PCB）组成。
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> ###  ###
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> ### 3.1.3 进程控制块 ###

> > 在操作系统中，进程包括三部分：程序，数据和进程控制块（PCB）。PCB是一个数据结构，用来存储进程以及与其相关的信息。在实际操作系统中，PCB的大小和个数是一定的，系统会为每个进程分配一个PCB结构，操作系统只有通过PCB才能感知进程的存在，因此操作系统中PCB的个数就是该系统可最大并行的进程数。
> 
> ### 3.1.4 进程控制 ###

> > 所谓的进程控制，是指存在于操作系统代码中的一段用于对进程进行调度和控制的程序段，它主要通过控制PCB来调控进程。
> > 
> > 前面说过，操作系统是分层的结构，总体上分成内核和外壳两部分，这样，处理器在运行的时候，为了避免内核中信息被用户程序篡改，因此处理器分成了两个运行状态：核心态和用户态。其中，核心态用来运行操作系统的内核，用户态用来运行操作系统的外壳和用户程序

## 3.3 进程的状态 ##

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> ![0_131529229444AE.gif][]

>   
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> 具有挂起状态的进程状态转化模型如上图所示。一些状态的说明：
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> 1.  创建。进程的创建主要通过调用创建原语来实现。创建原语的主要功能是建立进程的PCB，将调用者提供的信息添加到PCB中。
> 2.  终止。进程的终止通过调用终止原语来实现。主要的功能是将当前运行进程所占用的资源归还给父进程，从PCB总链中将其删除，将PCB结构归还给系统。
> 3.  等待。进程等待的事件没有发生时，处于该状态下。
> 4.  进程唤醒。当处于等待队列中的进程所等待的时间发生时，则由“发现者”进程调用唤醒原语，将等待该事件的进程唤醒。唤醒主要有两种方法：一种是由系统进程唤醒，另一种是由时间发生进程唤醒，处于等待状态的进程只能由其他进程来唤醒，不可以自己唤醒自己。
> 5.  进程挂起。在没有进程挂起的情况下，如果系统中存在很多的进程，那么就需要将所有的进程都放在内存中，这样可能会导致内存不足，使得程序运行效率不高，因此引入了内存挂起的概念。对于上面内存不足的情况，有两种方法解决，一种是增大内存，显然这不现实，另一种就是使用交换技术，在磁盘上设置一些虚拟内存，用于存放一些未被执行的进程。
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> 状态转换的说明：
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> ![0_1315293539VsWZ.gif][]  
> 
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>   
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## 3.4 线程的概念 ##

> 进程的引入可以实现并行计算，线程的引入可以进一步提高系统的并发性。一个进程可以拥有多个线程，这些线程共享同一地址空间，他不拥有系统资源，且只需要很少在运行时必不可少的硬件，因此线程在创建，撤销，切换等环节所需要的时空开销比进程要少的多。

## 3.5 线程的状态 ##

> 线程的状态与进程的状态差不多，只是没有挂起状态，由于对于同一个进程其所有的线程共享同一个地址，因此

> 如果一个进程被换出，它所有的线程也都被换出，可以理解为进程的状态和线程的状态不是一个层面上的，且进程的状态往往决定了他所有的线程的状态。
> 
> 1.  创建。当创建一个新的进程的时候，系统同时也为该进程创建了一个线程（主线程），该线程可以创建其他的新的线程。
> 2.  就绪。
> 3.  运行。
> 4.  阻塞。
> 5.  终止。

## 3.6 线程与进程的比较 ##

>  *  调度分派。线程是可调度的工作单元，在有线程的进程中，进程不再成为调度的基本单位。
>  *  资源拥有。进程拥有资源，线程不拥有资源，只是使用进程的资源。
>  *  地址空间。不同进程的地址空间是相互独立的，同一进程的各线程共享同一地址空间。
>  *  一个进程可以拥有多个线程，反过来不行。
>  *  通信关系。进程间的通信需要使用系统的通信机制，同一进程中的各线程可以通过直接读写数据段（如全局变量）来进行通信。

## 3.7 用户级线程和内核级线程 ##

> #### 3.7.1 线程的类型 ####

> > 根据对线程控制方式的不同，线程可分为内核级线程和用户级线程。
> > 
> >  *  内核级线程。这类线程的控制（线程的创建等）依赖于内核，内核知道该线程。
> >  *  用户级线程。这类线程的控制不依赖于内核，而是他所属的进程通过线程库进程的创建等控制，内核不知道该线程。
> > 
> > 线程的类型是由系统所确定好的，eg，windows xp系统使用的就是内核级线程。
> 
> #### 3.7.2 线程的调度和切换速度 ####

> > 线程的调度方法有抢占方式和非抢占方式，其调度算法有时间片轮转法、优先权法等。
> 
> #### 3.7.3 系统调用 ####

> > 当用户进程调用一个系统调用时，根绝线程的类型不同，调用的方式也不同。
> > 
> >  *  内核级线程在调用的时候，由于内核知道该线程的存在，因此该线程作为基本的调度单位，该线程被阻塞，但是该进程中的其他线程仍然可以运行。
> >  *  用户级线程在调用的时候，由于内核不知道该线程的存在，因此在调度的时候，只能看成是进程级的调用，因此整个进程被阻塞，去执行系统调用。

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