操作系统学习笔记——第二章 进程、线程与作业

第二章 进程、线程与作业

多道程序设计

目标

提高吞吐率
$吞吐量=\frac{作业道数}{全部处理时间}$

单道程序设计的缺点

• 处理机利用率低
• 设备利用率低
• 内存利用率低

多道程序设计的提出

• 增加同时运行程序的道数可以提高资源利用率，从而提高系统效率，但道数应与系统资源数量相当。
• 道数过少，系统资源利用率低。
• 道数过多，系统开销(system overhead)增大，程序响应速度下降。

进程的引入

多道系统中的程序：
推进，暂停，推进，暂停，…….

• 暂停：保存现场(PSW+PC，寄存器）
• 推进：恢复现场(寄存器，PSW+PC)
• 暂停原因：(1) 自身原因：等待资源，启动IO
  (2) 剥夺CPU—给其它程序运行机会

定义

• 可参与并发执行的程序称为进程。
• 进程是具有一定独立功能的程序关于一个数据集合的一次运行活动。

定义强调两个方面：

• 动态：执行中的程序;
• 并发：可与其他进程同时执行。

并行和并发的区别

并发：concurrent

• 宏观同时，“交替执行”，不要求多个CPU

并行：parallel

• 微观同时，要求多个CPU

进程状态(基本状态)

• 运行态(RUN): 占有CPU正在向前推进
• 就绪态(READY): 可以运行，但未得到CPU
• 等待态(WAIT): 等待某一事件发生

状态转换

就绪$\to$运行：获得处理机
运行$\to$就绪：剥夺处理机
运行$\to$等待：申请资源未得到，启动IO
等待$\to$就绪：得到资源，IO中断

• 进程状态转换由操作系统完成，对用户是透明的；
• 进程在其生存期内经过多次状态转换，体现了进程的动态性和并发性。

进程控制块（PCB）

标志进程存在的数据结构，其中保存系统管理进程所需的全部信息

PCB内容：(不同系统不尽相同)

• 进程标识(pid)
• 家族联系
• 进程状态
• 地址信息
• 现场信息
• 打开文件
• 调度参数
• 消息指针
• 所属用户(uid)
• 队列指针

进程的组成

1. 进程控制块(process control block)
   • 建立进程$\to$建立PCB
   • 撤销PCB$\to$撤销进程
2. 程序
   • 代码(code)
   • 数据(data)
   • 堆栈(stack+heap)
     -栈：保存返回点、参数、返回值、局部变量
     -堆：动态变量

进程上下文切换

• 进程上下文（process context)
  进程的物理实体与支持进程运行的物理环境统称为进程上下文

  -PCB+程序
  -系统环境：地址空间，系统栈，打开文件表，…

• 上下文切换（context switch)
  由一个进程的上下文转到另外一个进程的上下文

• 系统开销（system overhead)
  运行操作系统程序完成系统管理工作所花费的时间和空间

进程的队列

PCB构成的队列：（不一定FIFO（先进先出），单向或双向）

• 就绪队列：系统一个或若干个（根据调度算法确定）
• 等待队列：每个等待事件一个
• 运行指示字：每个处理机一个
  

进程类型

• 系统进程
  运行操作系统程序，完成系统管理(服务)功能.
• 用户进程
  运行用户(应用)程序，为用户服务。

进程的特征

• 并发性：可以与其它进程一道向前推进；
• 动态性：动态产生、消亡，生存期内状态动态变化；
• 独立性：一个进程是可以调度的基本单位；
• 交往性：同时运行的进程可能发生相互作用；
• 异步性：进程以各自独立，不可预知的速度向前推进；
• 结构性：每个进程有一个PCB。

进程间相互联系

相关进程

• 同一家族的进程
• 可以共享文件，需要相互通讯，协调推进速度…
• 父进程可以监视子进程，子进程完成父进程交给的任务。

无关进程

• 没有逻辑关系、同时执行的进程。
• 有资源竞争关系，互斥、死锁、饿死。

进程间相互作用

1. 直接相互作用：发生在相关进程之间

2. 间接相互作用：发生在任何进程之间

进程的创建与撤销

• 进程的创建
  建立PCB，分配内存，加载程序，入就绪链
• 进程的撤销
  去配资源，撤销PCB，通知父进程
• 除初始进程外，其它进程由(父)进程创建，并形成进程家族。
  

进程与程序的联系与差别

进程与程序的联系

• 进程包括一个程序
• 进程存在的目的就是执行这个程序

进程与程序的差别

• 程序静态，进程动态
• 程序可长期保存，进程有生存期
• 一个程序可对应多个进程，一个进程只能执行一个程序

线程与轻进程

进程切换的不足和解决方案

• 上下文涉及内容多，开销大，“笨重”
• 相关进程之间耦合关系差

解决方案

• Multi-threading
• 同一进程中包含多个线程
• 上下文只涉及寄存器和用户栈，切换速度快
• 相关线程之间通讯方便、快捷

线程的概念

进程中一个相对独立的执行流。

线程和进程的区别

• 进程是资源分配单位
• 线程是执行单位

多线程优点

• 切换速度快（地址空间不变）(light weighted)
• 系统开销小
• 通讯容易（共享数据空间）

用户示图

多进程

多线程

线程控制块（TCB）

标志线程存在的数据结构，其中包含对线程管理需要的全部信息．

内容

• 线程标识
• 线程状态
• 调度参数
• 现场(通用寄存器,PC,SP)
• 链接指针

存放位置

• 用户级线程：目态空间（运行时系统）
• 核心级线程：系统空间

用户级别线程

实现方法：

• 基于library函数，系统不可见
• 线程创建、撤销、状态转换在目态完成
• TCB在用户空间，每个进程一个系统栈

优点：

• 不依赖于操作系统，调度灵活
  同一进程中多线程切换速度快(不需进入操作系统)
• 缺点：
  同一进程中多个线程不能真正并行
  一个线程进入系统受阻，进程中其它线程不能执行

核心级别线程

实现方法：

• 基于系统调用
• 创建、撤销、状态转换由操作系统完成

优点：

• 同一进程内多线程可以并行执行
• 一线程进入核心等待，其它线程仍可执行

缺点：

• 系统开销大，同一进程内多线程切换速度慢
• 调度算法不能灵活控制

作业

概念

用户要求计算机系统为其完成的计算任务集合。

作业步（job step)

• 作业处理过程中一个相对独立的步骤
• 一般一个作业步可由一个进程完成
• 某些作业步之间可以并行

作业分类

• 批处理作业
• 交互式作业

作业与进程

• 作业进入内存后变为进程
• 一个作业通常与多个进程相对应

进程与线程

• 一个进程一般包含多个线程，至少包含一个线程
• 不支持多线程的系统，可视为单线程进程