计算机操作系统-进程篇

╰+攻爆jí腚メ 2024-02-17 21:01 97阅读 0赞

#### 一、进程 ####

进程(progress)：是指计算机中已运行的程序。

每个进程都有自己的地址空间、内存、寄存器和堆栈等资源，它们与其他进程相互隔离，互不干扰。进程是操作系统中最基本的资源分配单位，也是操作系统中最重要的概念之一。

在操作系统中，进程是由操作系统内核创建和管理的。当一个程序被执行时，操作系统会为该程序创建一个新的进程，并分配相应的资源，包括内存、寄存器、文件句柄等。进程可以执行各种操作，包括读写文件、网络通信、计算等等。

每个进程都有一个唯一的进程标识符（PID），用于区分不同的进程。进程可以通过系统调用来创建子进程、等待子进程退出、发送信号等等。操作系统可以通过进程管理器来查看和管理当前正在运行的进程，包括启动、停止、暂停、恢复等等。

#### 二、线程 ####

线程(thread)：操作系统内部机制在发展过程中对进程的有效细化，是操作系统分配处理器(CPU)时间的基本单元，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的资源，包括内存、文件句柄、网络连接等等。每个线程都有自己的堆栈和寄存器，但是它们共享进程的代码段、数据段和打开的文件等资源。

与进程不同的是，线程是由进程内部创建和管理的。一个进程可以创建多个线程，并且这些线程可以并发执行，共享进程的资源。线程可以协作完成一项任务，也可以分别执行不同的任务。

线程有以下几个特点：

1.  线程是进程的一部分，是进程中的执行单元。
2.  线程可以共享进程的资源，包括内存、文件句柄、网络连接等等。
3.  线程有自己的堆栈和寄存器，但是共享进程的代码段、数据段和打开的文件等资源。
4.  线程可以并发执行，相互独立，但是它们共享进程的资源，需要通过同步机制来协调和控制访问。
5.  线程的创建、切换和销毁都比进程快，因为线程共享进程的资源，不需要像进程那样进行资源分配和管理。

线程是操作系统中最基本的执行单元，也是实现并发编程的基础。线程可以提高程序的并发性和响应性，但是也需要注意线程安全和同步机制的问题。

#### 三、并发与并行 ####

并发（Concurrency）：多个任务在同一时间段内交替执行的能力。在单个 CPU 上，多个任务通过时间分片技术交替执行，看起来好像是同时执行的。但实际上，每个任务都只能在 CPU 上独占一段时间，然后就要让出 CPU 给其他任务，等待下一次 CPU 分配。在多 CPU 系统中，多个任务可以在不同的 CPU 上并发执行，从而提高系统的处理能力。

并行（Parallelism）：多个任务在同一时刻同时执行的能力。在多 CPU 系统中，多个任务可以在不同的 CPU 上并行执行，从而提高系统的处理能力。在单个 CPU 上，多个任务可以通过多线程技术并行执行，但这种并行执行方式受限于 CPU 的核心数和线程数。

总的来说，并发和并行都是提高计算机系统处理能力的重要手段，但它们的实现方式不同。并发是通过时间分片技术实现的，而并行是通过多 CPU 或多线程技术实现的。在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的并发和并行方案，以达到最优的性能和效率。

注：

任务（Task）：计算机系统中一个独立的工作单元，可以是一个程序、一个进程、一个线程或者一个作业等。任务是计算机系统中最基本的执行单元，可以独立地执行一项工作，也可以与其他任务协同完成复杂的任务。

作业（Job）：一组相关的任务，通常是由一个用户提交到计算机系统中，由计算机系统按照一定的顺序依次执行的一系列操作。作业通常由多个任务组成，这些任务之间可能存在依赖关系，需要按照一定的顺序执行

#### 四、为什么要引入进程与线程 ####

最初的操作系统只有进程.

**1、引入进程的目的**

为了描述和实现多个程序的并发执行，以改善资源利用率并提高系统的吞吐量。

注：系统的吞吐量是指在单位时间内系统能够处理的请求数量或数据量。吞吐量是衡量系统性能的重要指标之一，通常用来评估系统的处理能力和效率。

**进程是操作系统中资源分配的基本单位，每个进程都有独立的内存空间、文件句柄、网络连接等资源**。但是，为了使程序能并发执行，系统必须进行一系列的操作

*  创建进程
 *  撤销进程
 *  进程切换

进程是由操作系统进行调度和管理的，进程的切换需要保存和恢复进程的上下文信息，因此进程切换的开销比较大，所以系统中存在的进程数目不能太多，切换频率不能太频繁。这些因素都在制约着操作系统的并发性。

所以，就提出将进程的调度属性与资源申请属性分开，产生了现代的操作系统中的线程概念。

**2、引入线程的目的**

为了减少程序并发执行所付出的额外开销，使操作系统具有更好的并发性。进程作为资源的申请与拥有单位，线程作为调度的基本单位。

解释：创建进程就要申请必要的系统资源，而进程获取处理器资源（即CUP执行）就称为调度。

系统资源：包括内存空间，I/O设备等。

同一进程中的多个线程之间的切换不会引起进程的切换，而一个进程的线程切换到另一个进程的线程时，会引起进程的切换。

#### 五、进程的状态 ####

进程一般有三种状态：**执行，阻塞，就绪**

执行：当一个进程正在占用CPU，进程在内存

就绪：进程可以运行，但是CPU被其他进程占用，导致不能立即运行，进程在内存

阻塞：进程在某个等待事件而不能继续执行，阻塞状态的进程通常组织成队列，进程在内存。

如果被细化，则分为五个状态：新建，执行，就绪，阻塞，终止。有时候，为了有效的利用处理器，有的操作系统采用了对换技术(swapping)，将进程从内存换到磁盘中，进程的状态变为挂起。  
进程挂起的主要原因：  
1、 进程全部阻塞，处理机空闲  
2、 系统负荷过重，内存紧张  
3、 操作系统的需要  
4、 终端用户的请求  
5、 父进程的需求

#### 六、线程的状态 ####

1.  新建（New）：当线程对象被创建时，它处于新建状态。
2.  就绪（Ready）：当线程已经准备好执行，但还没有得到 CPU 时间片时，它处于就绪状态。
3.  运行（Running）：当线程获得 CPU 时间片并正在执行时，它处于运行状态。
4.  阻塞（Blocked）：当线程因为某些原因（如等待 I/O 操作、等待某个资源等）而暂停执行时，它处于阻塞状态。
5.  等待（Waiting）：当线程因为某些原因（如等待某个条件满足、等待某个事件发生等）而暂停执行时，它处于等待状态。
6.  终止（Terminated）：当线程执行完毕或者因为某些因（如异常、错误等）而被终止时，它处于终止状态。

参考：

[C++ 并发编程（从C++11到C++17）][C_ _C_11_C_17]

[C_ _C_11_C_17]: https://paul.pub/cpp-concurrency/