王道操作系统笔记（二）—— 进程与线程

水深无声 2023-10-11 20:29 38阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、进程的概念和特征
 *   *  1.1 进程的概念
     *  1.2 进程的组成
     *  1.3 进程的特征
     *  1.4 进程的状态与转换
     *  1.5 进程控制
     *  1.6 进程的通信
     *   *  1.6.1 共享存储
         *  1.6.2 消息传递
         *  1.6.3 管道通信
     *  1.7 父进程与子进程
 *  二、线程概念和多线程模型
 *   *  2.1 线程的概念
     *  2.2 线程的属性
     *  2.3 线程的实现方式
     *  2.4 多线程模型
     *  2.5 线程的状态与转换
     *  2.6 线程的组织与控制

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## 一、进程的概念和特征 ##

### 1.1 进程的概念 ###

**程序：** 是 静态的，就是个存放在磁盘里的 可执行文件，如：QQ.exe。  
**进程：** 是 动态的，是程序的一次 执行过程，或者是一个正在运行的是程序，如：可同时启动多次QQ程序。  
**进程实体：** 即进程映像，是 静态的，可理解为进程的 一次时刻的状态。  
**作业：** 是 静态的，如：一个应用软件（对应多个进程）、一个程序（对应一个进程）。  
    作业装入内存，OS 会为该作业创建进程，作业装入后会变成进程。  
![在这里插入图片描述][031459b9b8bb411abf1e6dc75675ae23.png_pic_left]  
注：同一个程序多次执行会对应多个进程。

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### 1.2 进程的组成 ###

进程是程序的一次执行过程，进程的组成实际上是进程实体（即进程映像）的组成。  
进程组成包括：PCB、程序段、数据段。

![在这里插入图片描述][1eb24601e265411f80dfbb9d0e982962.png_pic_left]

> 注：① PCB，即 进程控制块，操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理， 但凡管理时所需要的信息，都会被放在 PCB 中。  
>   ② PCB 是进程存在的唯一标志。 当进程被创建时，OS 会为其创建 PCB。当进程结束时，OS 会回收 PCB。  
>   ③ PCB 存于内存的内核区，注意内存的内核区和 OS 的内核态的区别，内核程序运行在内核态。

![在这里插入图片描述][d6d7c441d1804a5aa5d241b35e0f53dc.png_pic_left]

> 注：① PCB 是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的。  
>   ② 引入进程实体的概念后，可把 进程 定义为是进程实体的 运行过程，是系统进行 资源分配 和 调度 的一个独立单位。

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### 1.3 进程的特征 ###

![在这里插入图片描述][c34b006572db4fd6aa41ec8af50148b8.png_pic_left]

> 注：① 动态性是进程最基本的特征。  
>   ② 异步性会导致并发程序执行结果的不确定性。

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### 1.4 进程的状态与转换 ###

![在这里插入图片描述][54dcb67a72cc49578be7b839f98c1be8.png_pic_left]  
注：单核 CPU同一时刻只会有一个进程处于运行态，多核 CPU 可能有多个进程处于运行态。  
![在这里插入图片描述][ee76634e0d554449b9c693e9c069a655.png_pic_left]  
举例：运行态**→**阻塞态：申请打印机。阻塞态**→**就绪态：打印机可用了。

> 注：① “其他”，指代 “其他所需资源”。  
>   ② 运行态**→**阻塞态，是进程自身的主动行为。  
>   ② 阻塞态**→**就绪态，是被动行为。

`创建新进程后，能进行处理及调度（ ✓ ） 在系统调用完成并返回用户态时能进行处理机调度（ ✓ ） 解析：能 ≠ 一定，可假设进程优先级很高，且采用剥夺式调度策略 (来源：12年408第30题)`

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### 1.5 进程控制 ###

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。在操作系统中，一般把进程控制用的程序段称为 原语，原语执行具有原子性，即执行过程 一气呵成，不可中断。这种不可被中断的操作即为 原子操作。因此，原语可用 关中断和开中断指令 这两个特权指令实现原子性。  
![在这里插入图片描述][198892de5db94e649f230aa2afcc8e32.png_pic_left]

> 无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事：  
> ① 更新 PCB 中的信息  
> ② 将 PCB 插入合适的队列  
> ③ 分配 / 回收资源

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th align="left"></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>引起 <code>进程创建</code> 的事件</td> 
   <td align="left">用户登录、作业调度、提供服务、应用请求</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>引起 <code>进程终止</code> 的事件</td> 
   <td align="left">正常结束、异常结束、外界干预</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>引起 <code>进程阻塞</code> 的事件</td> 
   <td align="left">等待系统分配某种资源、等待相互合作的其他进程完成</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>引起 <code>进程唤醒</code> 的事件</td> 
   <td align="left">等待的事件发生</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>引起 <code>进程切换</code> 的事件</td> 
   <td align="left">当前进程时间片到、当前进程主动阻塞、当前进程终止、有更高优先级的进程到达（剥夺式调度）</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**补充：** 进程的组织  
进程的组织方式有两种：链接方式和索引方式  
![在这里插入图片描述][48fbda6fd4304f9e94f390c2c6fb232e.png]

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### 1.6 进程的通信 ###

进程通信是指进程之间的信息交换，PV操作是低级通信方式，高级通信方式是指以比较高的效率传输大量数据的通信方式，高级通信方式有三种：共享存储、消息传递和管道通信。  
  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。因此，为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间，所以进程通信需要操作系统支持。

#### 1.6.1 共享存储 ####

基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。  
 ![在这里插入图片描述][64feaa4a08f649e3a2e2e79001bf7365.png_pic_left]  
基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、 限制多，是一种低级通信方式。

各进程对共享空间的访问应该是互斥的，各进程可使用操作系统内核提供的 P V 操作实现互斥。

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#### 1.6.2 消息传递 ####

进程间的数据交换以 格式化的消息(Message) 为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个 原语 进行数据交换。

![在这里插入图片描述][6a6f40a9e89e4f968520704fa2d187a8.png_pic_left]

1.  **直接通信方式**
    
    发送进程要知名接收进程的ID，直接把消息发送给接收进程，并将他挂在接收进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。  
    ![在这里插入图片描述][1cfb3957733b4ad591cdeb06ac50a71c.png_pic_left]
2.  **间接通信方式**  
    发送进程通过 信箱 间接地通信，将消息发送到某个中间实体，接收进程从中间实体取得消息。  
    ![在这里插入图片描述][e5daa927a35d4c2ba1d805e39f53e049.png_pic_left]  
    注：可以多个进程往同一个信箱 send 消息，也可以多个进程从同一个信箱中 receive 消息。

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#### 1.6.3 管道通信 ####

管道 是一个特殊的 共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。  
![在这里插入图片描述][937323603d8748c5a9d4030b87fb87eb.png_pic_left]

> 注：① 管道只能采用 半双工通信，某一时间段内只能实现 单向的传输。如果要实现 双向同时通信，则需要设置两个管道。  
>   ② 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）。  
>   ③ 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。  
>   ④ 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。

管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：

1.  `一个管道允许多个写进程，一个读进程（来源：2014年408第31题）`
2.  允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux 的方案）。

**补充：**  
 写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据。  
 读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据。

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### 1.7 父进程与子进程 ###

父进程与子进程可以并发执行，有不同的进程控制块，且不能同时使用同一临界资源。（注意并发与并行的区别）

`父进程与子进程有可共享虚拟地址空间。（×） 解析：同一进程的不同线程间可共享虚拟空间，而不同进程之间的虚拟空间是相互独立的。 （来源：2020年408第29题）`

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## 二、线程概念和多线程模型 ##

未引入线程之前，系统之间只能串行执行程序，如：QQ和音乐播放器只能串行执行。  
  引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如：QQ中的视频、文字聊天与传文件）

### 2.1 线程的概念 ###

线程可理解为轻量级进程，它是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。  
引入线程后，进程 只作为 除 CPU 外的系统资源的分配单元（如：打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。  
线程则作为处理机的分配单元。  
![在这里插入图片描述][b66a35ab720b4537b23c8f815d3efed2.png_pic_left]

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### 2.2 线程的属性 ###

![在这里插入图片描述][75501ebf6af542529c4264cf60a05543.png_pic_left]  
注：线程是处理机调度的单位，这里的线程指的是 操作系统看得见的内核级线程，**内核级线程是处理机分配的单位**。

`在支持多线程的系统中，进程P创建的若干线程可共享进程P的代码段、进程P的打开的文件、进程P的全局变量，不可共享的是进程P中某线程的栈指针。 （来源：2011年408第25题）`

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### 2.3 线程的实现方式 ###

线程的实现可以分为两类：用户级线程 和 内核级线程。内核级线程又称内核支持的线程。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th align="left">用户级线程</th> 
   <th align="left">内核级线程</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>线程的管理工作由谁来完成</td> 
   <td align="left">由 <font>应用程序</font> 通过线程库实现所有的 <font>线程管理工作 </font>，包括线程切换</td> 
   <td align="left"><font>线程管理工作 </font> 由 <font>操作系统内核</font>完成</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>线程切换是否需要 CPU 变态</td> 
   <td align="left"><font>用户级线程切换</font> 可以在 <font>用户态下即可完成</font> ，无需操作系统干预</td> 
   <td align="left">线程调度、切换等工作都由内核负责，因此 <font>内核级线程的切换</font> 必然需要在 <font>核心态</font> 下才能完成。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>OS 是否能意识到用户级线程的存在</td> 
   <td align="left"><font>OS 内核意识不到用户级线程的存在</font><br> 用户级线程就是从用户视角看能看到的线程</td> 
   <td align="left"><font>OS 会为每个内核级线程建立相应的 TCB</font>（线程控制块）<br> <font>通过TCB对线程进行管理</font><br> 内核级线程就是从操作系统内核视角看能看到的线程</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>优点</td> 
   <td align="left">用户级线程的切换在用户空间即可完成，<br><font>不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高</font></td> 
   <td align="left"><font>当一个线程被阻塞后，其他线程还可以继续执行，并发能力强</font><br>多线程可在多核处理机上并行执行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>缺点</td> 
   <td align="left"><font>当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高</font> <br>因为进程是处理机调度的基本单位，同一进程的多个线程不可在多核处理机上并行运行</td> 
   <td align="left">一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成<br> <font>需要切换到核心态，因此线程管理的开销大，效率低，成本高</font></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

`用户级线程可以在不支持内核级线程的操作系统上实现（✓） 解析：早期操作系统中，还没有内核级线程，进程是处理机分配的基本单位，而用户级线程是在线程库支持下实现的，如下图。 （来源：2019年408第23题）`  
![在这里插入图片描述][fc99926f37ae4678863d2a3686d4f39c.png_pic_left]

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### 2.4 多线程模型 ###

![在这里插入图片描述][07a2739b34204d9ca3116f5ed538afcf.png]

1.  **多对一模型：** 多个用户级线程 映射到 一个内核级线程，且一个进程只被分配一个内核级线程。  
    优点：上文用户级线程的优点。  
    缺点：上文用户级线程的缺点。
2.  **一对一模型：** 一个用户级线程映射到 一个内核级线程，每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。  
    优点：上文内核级线程的优点。  
    缺点：上文内核级线程的缺点。
3.  **多对多模型：** n 用户及线程映射到 m 个内核级线程（n >= m），每个用户进程对应 m 个内核级线程。  
    克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），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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### 2.5 线程的状态与转换 ###

![在这里插入图片描述][93f5ea826f114d018d6448e480ee4880.png_pic_left]

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### 2.6 线程的组织与控制 ###

![在这里插入图片描述][f730897b83f6467fbfb8e1c0ec3b966f.png_pic_left]

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