《现代操作系统》进程与线程

红太狼 2022-10-04 15:52 271阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  进程与线程
 *   *  进程
     *   *  进程的创建
         *  进程的终止
         *  进程的层次结构
         *  进程的状态
     *  线程
     *  进程间通信

# 进程与线程 #

> 《现代操作系统》进程与线程 笔记

## 进程 ##

一个进程是某种类型的活动，它有程序、输入、输出以及状态。如果一个程序运行了两次，那算作两个进程。

**进程（process）**：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（sequential process）**，一个进程就是一个正在执行程序的实例，包括程序计数器和变量的当前值。

> 从概念上说每个进程都拥有它自己的虚拟CPU（实际上真正的CPU在个进程之间来回切换）

**进程管理** 相关的系统调用

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>调用</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>pid = fork()</td> 
   <td>创建于父进程相同的子进程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>pid = waitpid(pid,&amp;statloc,options)</td> 
   <td>等待一个子进程终止</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>s = execve(name,argv,environp)</td> 
   <td>替换一个进程的核心映像</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>exit(status)</td> 
   <td>终止一个进程并返回状态</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 进程的创建 ###

在UNIX系统中，只要一个系统调用可以创建进程：fork，这个系统调用会创建一个与调用进程相同的副本。在调用了fork后，这两个进程（父进程和子进程）拥有相同的内存映像、同样的环境字符串和同样的打开文件。通常子进程接着执行 execve 或者一个类似的系统调用，以修改其内存映像并运行一个新的程序。

**写时复制(copy-on-write)**：在UNIX中，子进程初始地址空间是父进程的一个副本，但只这里涉及两个不同的地址空间，不可写的内存区是共享的，**可写的内存是不可以共享的**。某些UNIX的实现使程序正文在两者间共享，因为不可写内存不能修改，因此二者可以共享。但对于可以内存，内存通过 **写时复制(copy-on-write)** 共享，一旦两者之一想要修改部分内存，则这块内存首先被明确的复制，以确保修改发生在私有内存区域。

### 进程的终止 ###

进程退出的几种情况

*  正常退出（自愿的）
 *  出错退出（自愿的）：参数等导致的错误
 *  严重错误（非自愿）：程序中的错误
 *  被其他进程杀死（非自愿）

进程退出的系统调用：

*  UNIX：exit
 *  windows：ExitProcess

### 进程的层次结构 ###

在UNIX中，进程和它的所有子进程以及后裔共同组成一个进程组。

### 进程的状态 ###

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## 线程 ##

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**，不过经常也存在同一个地址空间中准并行运行多个控制线程的情形，这些线程就像分离的进程（共享地址空间除外）。

**引入线程的原因**

*  第一个原因：线程的加入，使得并行实体拥有共享一个地址空间和所有可用数据的能力。对于某些应用而言，这种能力是必须的，二者正式多进程模型（它们具有不同的地址空间）所无法表达的。
 *  第二个原因：由于线程比进程更轻量级，所以它比进程更容易（即更快）创建，也更容撤销。在许多系统中，创建一个线程要比创建一个进程快10~100倍。
 *  第三个原因：涉及性能，对于 CPU 密集型的应用，多线程并不能获得性能上的增强，但如果存在大量的 I/O 处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠，从而加快应用程序的执行速度。
 *  第四个原因:在多 CPU 系统中，多线程是有益的，可以真正的实现并行。

> 类比创建一个 Java 进程和 Java 线程的成本。

进程是资源管理的单位，进程拥有存放程序正文和数据以及其他资源的地址空间。这些资源中包括打开的文件，子进程、即将发生的定时器、信号处理程序、账号信息等。

线程是资源(cpu)调度的单位,线程概念实现的是：共享这一组资源的多个线程的执行能力，以便这些线程可以完成某一任务而共同工作。**每一个线程有其自己的堆栈**， 因为每个线程通常都会有不同的调用过程，从而有一个各自不同的执行历史。

进程拥有一个执行的线程，通常简称为**线程**，由于线程具有进程的某些特质，所有有时也称为**轻量级的进程(lightwight process)** 。在线程中有一个程序计数器，用来记录接着要执行那一条指令，线程拥有寄存器，用来保存线程当前的工作变量。线程还拥有一个堆栈、用来记录执行历史，其中每一帧保存了一个已调用但是还没有从中返回的过程。

尽管线程必须在进程中执行，但线程和它的进程是不同的概念，进程用于把资源集中到一起，而线程则是在 CPU 上被调度执行的实体。

## 进程间通信 ##

实现 **进程间通信（InterProcess Communication，IPC）** 主要有三个问题

1.  一个进程如何把消息传递给另一个
2.  确保两个活多个进程在关键活动中不会出现交叉
3.  正确的顺序

这三个问题中，后两个对于线程也同样适用。第一个问题（传递消息）对线程而言比较容易，因为它们共享一个地址空间（在不同地址空间需要通信的线程属于不同进程之间通信的情形）。但是另外两个问题，在线程间与进程间是相同的，并且也可通过相同的方法解决。

**竞态条件(race condition)** ：两个或多个进程（线程）读取某些共享数据，而最后的结果取决于进程（线程）的精确时序。

> 凡涉及共享内存、共享文件以及共享任何资源的情况都会引发竞态条件问题

避免竞态条件的关键是**互斥(mutual exclusion)：一个进程在使用一个共享变量或文件时，其他进程不能做同样的操作**,阻止多个进程同时读写共享的数据，

**临界区(citical section)** ：对共享内存进行访问的程序片断。

只要保证两个进程不能同时进入临界区，就能避免竞态条件。

**信号量(semaphore)** ：使用一个整数变量来累计唤醒次数。一个信号量的取值可为0(表示没有保存下来的唤醒操作)或者为正(表示一个或多个唤醒操作)。  
信号量一般有两种操作 down 和 up；对一个信号量执行down操作，则是检查其值是否大于0；若大于0，则将其值减一（即用掉一个保存的信号量）并继续；若该值为0，则将继续睡眠，而且此时down操作并未结束。up 操作对信号量值增1，如果一个或多个进程在该信号量上睡眠，无法完成一个先前的down操作，则由系统选择其中一个（如随机挑选）并允许该进程完成down操作。于是，对一个进程在骑上睡眠的信号量执行一次 up 操作之后，该信号量的值任为0，但在其上睡眠的进程却少了一个。信号量的增1和唤醒一个进程同样是不可分割的。

> 检查数值、修改变量值以及可能发生的睡眠操作均作为一个单一的、不可分割的原子操作完成。保证一旦一个信号量操作开始，则在该操作完成或阻塞之前，其他进程均不允许访问该信号量。

> 原子操作：是指一组相关联的操作要么不间断的执行，要么都不执行。

如果不需要信号量的计数能力，有时可以使用信号量的简化版本**互斥量(mutex)**。

**管程(monitor)** ：一个管程是一个由过程、变量及数据结构等组成的一个特殊的模块。管城有一个重要的特性：**任一时刻管程中只能有一个活跃的进程**，这一特性使得管程能有效的完成互斥。

管程典型的处理方法是，当一个进程调用管程过程时，该过程中的前几条指令将检查在管程中是否有其他的活跃进程。如果有调用进程将被挂起，直到另一个进程离开管程将其唤醒。如果没有活跃进程使用管程，则该调用进程可以进入。

管程是一个编程语言概念，编译器必须要识别管程并用某种方式对其互斥做出安排。

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