进程与线程

为什么要引入进程和线程的问题呢？

综述

一项新概念的引入一般都是为了更好的描述或构建一个新的体系。进程与线程也不外乎如此。
进程是在多道程序系统中引入，但直到目前为止，进程的定义也未能完全统一。而线程则出现的较晚，但却是弥补了进程的一些缺陷，所以线程又名轻进程。

进程

关于进程这一概念的解释有很多种，但这些解释都具有同一个特性——强调程序的执行，即进程所具有的一种动态特性，这是进程与程序间本质上的差异。

进程与程序的区别：

1. 程序是静态的，进程是动态的。
2. 程序可通过存储介质长期保存，进程具有生命周期。
3. 程序和进程是一对多的关系，而进程和程序确只能是一对一。

关于进程，我们做出如下讨论。

进程的类型

1. 系统进程：也称守护进程，一个系统进程所完成的任务是相对独立和具体的，其优先级高于用户进程。
2. 用户进程：在操作系统之上运行的所有应用程序都称为用户进程。

无论是系统进程还是用户进程，都具有：
并发性，动态性，独立性，交互性，异步性，结构性等几大特性。

注意：进程是调度的基本单位

进程的状态

基本状态有三种：

1. 运行态(Run)：进程占有处理器资源，正在运行。
2. 就绪态(Ready)：进程等待处理器资源，已具备运行条件。
3. 等待态(Wait)：不具备运行条件。

进程状态转换：
运行->就绪：剥夺进程所占有的处理器资源（也可能是进程正常执行结束）。
运行->等待：等待某事件的发生。
就绪->运行：分配进程处理器资源。
就绪->等待：不存在。
等待->就绪：进程所等待的事件以发生，当前正在等待处理器资源。
等待->运行：不存在。

NOTE：
非抢占式调度，不存在运行->就绪的状态转换。
处理器调度算法对于进程的状态转换具有直接的影响，如上所述即为一种情况。

进程的组成

进程控制块（PCB）

进程控制块是标志进程存在的数据结构（对用户透明），在其中包含系统对进程管理所需要的全部信息。

PCB中所包含的信息数量与系统规模，功能成正相关关系。

建立进程->建立PCB
撤销PCB->撤销进程

程序

1. 代码：不采用绝对地址，采用相对地址。
2. 数据：一般包含静态变量，动态堆（保存动态变量）以及动态栈。

进程的管理

进程队列

1. 就绪队列：根据调度算法确定，一般来说，整个系统就只有一个。
2. 等待队列：与事件个数对等，即每个等待事件有一个等待队列。
3. 运行队列：与处理器个数有关，每个CPU有一个。

创建与撤销

1. 创建：
   • 建立一个进程控制块
   • 初始化该进程控制块
   • 为该进程分配存储空间
   • 加载所要执行的程序

   • 将进程控制块送入就绪队列

     由父进程创建的子进程是其全盘复制，即子进程除了进程号与父进程不一致外，其他均相同。

2. 撤销：
   • 撤销进程的内存分配
   • 撤销进程控制块

   • 通知父进程

     进程的撤销的原因可以是正常执行结束，也可以是进程执行是发生错误而结束。

进程间关系

逻辑关系：

1. 相关进程： 具有逻辑联系
2. 无关进程：无任何逻辑联系

相互作用：

1. 直接相互作用： 不需要第三方而发生相互作用

   只能发生在相关进程之间。

2. 间接相互作用： 需要第三方才能发生作用

线程

线程与进程相类似，所以又成线程为轻进程，但线程是进程内的一个相对独立的执行流，即一个线程包含多个线程。

进程内的多个线程执行同一程序中相同或不同代码段，共享数据区和堆。
进程是资源的分配单位，线程是CPU的调度单位。

线程的结构

线程控制块（TCB）

TCB中内容较少，因为大多数内容是记录在进程中。
线程的实现方式决定TCB的归属。

TCB归属：操作系统空间，用户进程空间。

线程实现

1. 核心级别线程(KLT)
   • 并发行好
   • 真正并行
   • 系统开销大
   • 进程状态不具有实际意义
2. 用户级别线程(ULT)
   • 灵活
   • 实现效率高
   • 不能实现并行
3. 混合线程

引入多线程

当一个应用中进程间的功能有所重叠（如具有相同的代码和数据），此时如果采用多进程的方式，那么对于系统来说，系统开销是非常巨大的。
所以多线程的引入成为了必需：

1. 同一进程的多个线程间可共享内存，合作完成某项功能。
2. 同一进程的多个线程间切换速度快。
3. 提高处理器与设备之间的并行性。
4. 多处理器环境下，多线程可并行执行（不同进程）。

只有当同一进程中的多个线程具有相同代码和数据，或者这些线程之间是合作（执行代码不同部分）的，或者是同构（执行相同代码）。才可以采用多线程处理模式。

小结

程序是进程的组成部分，进程是为了执行对应的程序而存在的，如此可知没有程序，进程也失去了讨论的意义。
而没了进程，线程也就不复存在了。