操作系统(2) 进程与线程

心已赠人 2022-12-10 14:57 356阅读 0赞

# 进程与线程 #

### 文章目录 ###

*  进程与线程
 *   *  一、进程的概念
     *  二、进程的组成
     *  三、进程的组织
     *  四、进程的状态与转换
     *   *  1. 进程的三种基本状态
         *  2. 进程的其他两种状态
         *  3. 进程状态的转换
     *  五、进程控制
     *  六、进程通信
     *  七、线程的概念
     *  八、线程的实现方式
     *   *  1. 用户级线程
         *  2. 内核级线程
         *  3. 两种实现方式的结合
     *  九、多线程模型
     *   *  1. 多对一模型
         *  2. 一对一模型
         *  3. 多对多模型

## 一、进程的概念 ##

1.  程序：是静态的，是可执行文件，是一系列的指令集合
2.  进程：是动态的，是程序的一次执行过程

## 二、进程的组成 ##

1.  操作系统需要对各个并发执行的进程进行管理，管理时所需要的进程自己的信息，都会被保存在 各个进程自己的PCB中 (Process Control Block，进程控制块)
2.  进程存在的唯一标志是PCB，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，进程结束时，操作系统 会回收其PCB
3.  程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]
4.  进程的新定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配的一个基本单位
5.  知识回顾  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

## 三、进程的组织 ##

1.  操作系统中有许多的PCB，为了对这些PCB进行有效的管理，应当使用适当的方式将其组织起来
2.  进程的组成讨论的是一个进程内部的构成问题，进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题  
    ![在这里插入图片描述][20200927093227575.png_pic_center]
3.  链接方式  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]
4.  索引方式  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

## 四、进程的状态与转换 ##

### 1. 进程的三种基本状态 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

### 2. 进程的其他两种状态 ###

![在这里插入图片描述][20200927093306279.png_pic_center]

### 3. 进程状态的转换 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

1.  知识回顾  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

## 五、进程控制 ##

1.  进程控制就是要实现进程状态的转换
2.  使用原语实现进程控制，原语具有原子性，原语的执行是一气呵成的，比如：将一个进程从阻塞 队列添加到就绪队列时，修改阻塞队列中此进程的状态为就绪态之后，应当将其从阻塞队列移 至就绪队列，如果不是一气呵成，可能出现状态为就绪态，但仍处于阻塞队列的情况
3.  原语是通过关中断指令和开中断指令实现的，如图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]
4.  进程控制相关的原语

无论哪种原语实现进程控制，所要做的事情有三类：

(1) 更新PCB中的信息  
① 修改进程状态标志  
② 剥夺进程的CPU使用权之前保存其运行环境  
③ 某进程开始运行前恢复其之前的运行环境

(2) 将PCB插入到合适的队列

(3) 分配/回收资源

1.  知识回顾  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 六、进程通信 ##

1.  进程通信指的是进程之间的信息交换
2.  各进程的内存地址空间相互独立，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间，操作系统提供 了进程之间信息交换的一些方法  
    ![在这里插入图片描述][20200927093417269.png_pic_center]
3.  共享存储  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

(1) 基于数据结构的共享  
如共享数组，此种共享方式速度慢，限制多，是一种低级通信方式

(2) 基于存储区的共享  
此种方式共享速度快，是一种高级通信方式

1.  管道通信  
    ![在这里插入图片描述][2020092709343361.png_pic_center]  
    (1) 管道其实就是一个缓冲区  
    (2) 管道只能采用半双工通信，如果要实现双向同时通信，必须设置两个管道  
    (3) 各进程要互斥的访问管道  
    (4) 管道写满时，写进程将被阻塞，等待读进程将数据读走，管道被读空后，读进程将被阻塞  
    (5) 管道为空，才允许写，管道为满，才允许读  
    (6) 数据一旦被读出，数据就从管道中被抛弃，说明读进程最多只能有一个
2.  消息传递  
    进程之间的数据交换以格式化的消息为单位，通过发送消息/接收消息两个原语进行数据交换

(1) 直接通信方式  
消息直接挂在接收进程的消息缓冲队列上  
![在这里插入图片描述][20200927093441225.png_pic_center]

(2) 间接通信方式  
消息先发送到中间实体(信箱)中  
![在这里插入图片描述][20200927093447114.png_pic_center]  
6. 知识回顾  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]

## 七、线程的概念 ##

1.  一个进程有多个线程，从属于同一进程的各个线程共享进程的资源
2.  进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]
3.  进程切换开销大，线程切换开销小
4.  线程也有运行态、就绪态、阻塞态
5.  线程几乎不拥有资源，只有极少量的资源(TCB(线程控制块)、寄存器信息等)
6.  为什么要引入线程？  
    (1) 进程可以并发执行的基础上，进程内部的线程也可以并发执行，提升了系统的并发度  
    (2) 如图所示：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]

## 八、线程的实现方式 ##

### 1. 用户级线程 ###

用户级线程是从用户角度能看到的线程，操作系统看不到线程的存在，只可以看到进程，线程 切换在用户态下即可完成，无需操作系统干预，如图：  
![在这里插入图片描述][20200927093555309.png_pic_center]

### 2. 内核级线程 ###

内核级线程是从操作系统内核能看到的线程，线程的切换必须在核心态下才能完成  
![在这里插入图片描述][20200927093603825.png_pic_center]

### 3. 两种实现方式的结合 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]

## 九、多线程模型 ##

### 1. 多对一模型 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 14]

### 2. 一对一模型 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 15]

### 3. 多对多模型 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 16]

1.  知识回顾  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 17]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/4bd2852440cb4ddf9e2cc164168ffefc.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221123/68cde2c984fa4300ac5f86435380bbad.png
[20200927093227575.png_pic_center]: /images/20221123/27d07ef6b8d947b99073c85b57615631.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221123/83c7441b77024b509a5b746fd417c320.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20221123/b930e7ad24ee4c6aaaa06179c1ec494c.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20221123/2cfef4974048480c86869c9039676e41.png
[20200927093306279.png_pic_center]: /images/20221123/912a9ec8b03b48308b369eb1bb478501.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]: /images/20221123/42d03891409c473d9a420df294111e61.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]: /images/20221123/9224a6520e6d4f7cbffcf3ec19ed5d1f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]: /images/20221123/90d0c892b3d04b3c918af408bc217288.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]: /images/20221123/9cdfe9de1cb540d8a07476e62fff67f7.png
[20200927093417269.png_pic_center]: /images/20221123/3c154cc5229e4654b0c2c00eff4f181b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]: /images/20221123/966ef8e2a7c246fb84675fab4a9d0641.png
[2020092709343361.png_pic_center]: /images/20221123/0799ddc939d8439a9b9826f00e553c65.png
[20200927093441225.png_pic_center]: /images/20221123/0c650bd5ff8f414f978a53447fcdbabf.png
[20200927093447114.png_pic_center]: /images/20221123/e1a2850ddb324860a36495f9d1ef6852.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]: /images/20221123/143c0407d3b147889e5bbe45d58928dc.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]: /images/20221123/fba0cfa0edeb490690806d873222620a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]: /images/20221123/b70cb83ab4844670a937fb482befd31a.png
[20200927093555309.png_pic_center]: /images/20221123/eaa5f5050ae4487f9a5b2f3e220cb139.png
[20200927093603825.png_pic_center]: /images/20221123/db9dd746050d464d9b6480c54c4a3785.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]: /images/20221123/3e9fe3289c00403f90741db14b3ee9ab.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 14]: /images/20221123/fa6f34709a864ac78fe27c54a1c71d40.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 15]: /images/20221123/e20348d1a53d45ef9924dadf24612d10.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 16]: /images/20221123/fe8687fabdca4039bc358c06e2dfac09.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 17]: /images/20221123/5860f6913f6047a094c1067134921f09.png