5、进程/线程模型2（操作系统笔记）

五、深入理解进程概念

5.1 进程的分类

• 1、系统进程/用户进程
  这里系统进程的优先级要高

• 2、前台进程/后台进程
  用户一般只和前台进程交互。

• 3、CPU密集型进程/IO密集型进程

5.2 进程层次结构

• UNIX中是一个进程家族树的概念：init为根进程。于是如果某一个进程结束了，那么其子孙进程都必须结束。
• Windows中的所有进程的地位都是相同的。

5.3 进程和程序的区别

• 进程更能准确刻画并发，而程序不能
• 程序是静态的，进程是动态的
• 进程有生命周期的，有诞生有消亡，是短暂的；而程序是相对长久的
• 一个程序可对应多个进程
• 进程具有创建其他进程的功能

5.4 进程的地址空间

操作系统为每个进程分配了一个地址空间。这里我们看一个例子：

1

这个程序我们从命令行中输入数据，比如：

myval 7
myval 8

此时我们会发现虽然进程不同，但是打印出来的地址确实一样的。这里我们从进程地址空间来分析：

2

说明：上面的两个进程都有这样一个地址空间，也就是说这两个进程是在不同的地址空间上的相同的位置，所以虽然地址是一样的，但是实际上在实际内存中的地址是不一样的。

5.5 进程映像

对进程执行活动全过程的静态描述（快照）。由进程地址空间内容、硬件寄存器内容及与该进程相关的内核数据结构、内核栈组成

• 与用户相关：进程地址空间（代码段、数据段、堆和栈、共享栈等）
• 与寄存器相关：程序计数器、指令寄存器、程序状态寄存器、栈指针、通用寄存器等的值
• 与内核相关：
  • 静态部分：PCB及各种资源数据结构
  • 动态部分：内核栈（不同进程在进入内核后使用不同的内核栈）

5.6 上下文切换

• 将CPU硬件状态从一个进程换到另一个进程的过程称为上下文切换，其实就是运行环境的切换。
• 进程运行时，其硬件状态保存在CPU上的寄存器中。寄存器有：程序计数器、程序状态寄存器、栈指针、通用寄存器、其他控制寄存器的值
• 进程不运行时，这些寄存器的值保存在进程控制块中；当操作系统要运行一个新的进程时，将进程控制块中相关值送到对应的寄存器中。

六、线程

6.1 线程的引入

引入线程有三个理由：

• 应用的需要
• 开销的考虑
• 性能的考虑

6.1.1 应用的需要

我们看一个例子，一个web服务器的工作方式：

• 从客户端接收网页请求
• 从磁盘上检索相关的网页，读入内存（此时进程是停止的，直到读取完毕）
• 将网页返回给对应的客户端

可以看到每次从磁盘读取的时候进程都是暂停的，这样会导致性能低下。那如何提高服务器的工作效率？通常情况下是使用网页缓存的方式解决。如果没有线程的情况下的两种解决方案：

• 一个服务进程
  这种情况下也是一种顺序编程，虽然采用了缓存机制，但是性能同样不高。而如果设置多个进程，这多个进程之间又是相互独立的，有独立的地址空间，所以不能共享信息。

• 有限状态机
  这种方式编程模型复杂，采用非阻塞的I/O。

多线程的解决方式

1

说明：这是一个多线程的 web服务器的工作方式，首先读取客户端的请求，之后由分派线程将各个任务分派给工作线程，同样这里还是采用了网页缓存。于是我们可以看到一个 web服务器的实现有三种方式：

2

6.1.2 开销的考虑

3

6.1.3 性能的考虑

如果有多个处理器的话，一个进程就会有多个线程同时在执行了，这样可以极大的提高运行 性能。

6.2 线程的基本概念

4

线程的属性

• 有标识符ID
• 有状态及状态转换-->需要提供一些操作
• 不运行时需要保存的上下文（程序计数器等寄存器）
• 有自己的栈和栈指针
• 共享所在进程的地址空间和其他资源
• 创建、撤销另一个线程（程序开始是以一个单线程方式运行的）

6.3 线程机制的实现

一般有三种实现机制：

• 用户级线程
• 核心级线程
• 混合（两者结合）方法

6.3.1 用户级线程

5

说明：可以看到线程是有运行时系统管理的，在内核中只有进程表。典型例子就是 UNIX：
POSIX线程库--PTHREAD

6

小结：
有点：

• 线程切换快
• 调度算法是应用程序特定的
• 用户级线程可运行在任何操作系统上（只需要实现线程库）

缺点：

• 内核只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上
• 大多数系统调用是阻塞的，因此，由于内核阻塞进程，故进程中所有线程也被阻塞。（可以在调用之前判断进行解决，如果是阻塞线程，那么就换其他线程）

6.3.2 核心级线程

7

6.3.3 混合模型

• 线程创建在用户空间完成
• 线程调度等在核心态完成
• 例子如Solaris操作系统