操作系统6----进程和线程

                                                              进程和线程

1.进程管理

1.1进程定义

1.2进程组成

1.3进程特点

1.4进程控制块PCB

1.5进程控制信息

1.6进程控制块组织

1.7进程生命周期

1.8.三态进程模型

1.9进程挂起

1.10状态队列

2.线程管理

2.1线程概念

2.2进程和线程

2.3用户线程

2.4内核线程

2.5轻量级进程

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1.进程管理

1.1进程定义

进程是指一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。

如上所示，程序源代码经过编译连接变为可执行文件，然后加载到内存中，构成一个进程地址空间；

进程地址空间由代码段，数据段，堆栈段，共享库以及段表组成；

1.2进程组成

进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息

代码

数据

状态寄存器  CPU状态CR0、指令指针IP

通用寄存器   AX、BX、CX…

进程占用系统资源  打开文件、已分配内存…

1.3进程特点

动态性   可动态地创建、结束进程

并发性   进程可以被独立调度并占用处理机运行

独立性   不同进程的工作不相互影响

制约性    因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约

进程与程序的联系

进程是操作系统处于执行状态程序的抽象  程序 = 文件 (静态的可执行文件)  进程 = 执行中的程序 = 程序 + 执行状态

同一个程序的多次执行过程对应为不同进程

进程执行需要的资源  内存：保存代码和数据  CPU：执行指令

进程与程序的区别

进程是动态的，程序是静态的  程序是有序代码的集合  进程是程序的执行，进程有核心态/用户态

进程是暂时的，程序是永久的  进程是一个状态变化的过程  程序可长久保存

进程与程序的组成不同  进程的组成包括程序、数据和进程控制块

1.4进程控制块PCB

操作系统管理控制进程运行所用的信息集合，操作系统用PCB( Process Control Block )来描述进程的基本情况以及运行变化的过程，PCB是进程存在的唯一标志，每个进程都在操作系统中有一个对应的PCB。

进程地址空间中的相关信息保存在PCB中

1.5进程控制信息

调度和状态信息  调度进程和处理机使用情况

进程间通信信息  进程间通信相关的各种标识

存储管理信息     指向进程映像存储空间数据结构

进程所用资源     进程使用的系统资源，如打开文件等

有关数据结构连接信息   与PCB相关的进程队列

1.6进程控制块组织

链表形式

同一状态的进程其PCB组成一链表，多个状态对应多个不同的链表，各状态的进程形成不同的链表：就绪链表  阻塞链表；

索引表

同一状态的进程归入一个索引表（由索引指向PCB），多个状态对应多个不同的索引表，各状态的进行形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索引表；

1.7进程生命周期

进程生命周期主要包括创建，执行，等待，抢占，唤醒以及结束等。

进程创建

引起进程创建的情况：系统初始化时；用户请求创建一个新进程；正在运行的进程执行了创建进程的系统调用

进程执行

内核选择一个就绪的进程，让它占用处理机并执行

进程等待

进程进入等待(阻塞)的情况：请求并等待系统服务，无法马上完成；启动某种操作，无法马上完成；需要的数据没有到达；

进程抢占

进程会被抢占的情况: 高优先级进程就绪；进程执行当前时间用完；

进程唤醒

唤醒进程的情况：被阻塞进程需要的资源可被满足；被阻塞进程等待的事件到达；

进程只能被别的进程或操作系统唤醒

进程结束

进程结束的情况：正常退出(自愿的)；错误退出(自愿的)；致命错误(强制性的)；被其他进程所杀(强制性的)

sleep()系统调用  使进程由运行状态变为就绪状态

         

调用sleep系统调用，当前进程变为就绪状态，操作系统选择另外就绪进程开始执行，进程会发生切换。

1.8.三态进程模型

进程的主要状态可以分为就绪，运行和等待状态，也可以加入创建和结束状态。

创建状态(New)  一个进程正在被创建，还没被转到就绪状态之前的状态

就绪状态(Ready)  进程获得了除处理机之外的所需资源，得到处理机即可运行

运行状态(Running)  进程正在处理机上运行

等待状态(又称阻塞状态Blocked )  进程正在等待某一事件的出现而暂停运行

结束状态(Exit)  一个进程正在从系统中消失时的状态，这是因为进程结束或由于其他原因所导致

进程具体的转换状态变化如下所示：

NULL→创建     一个新进程被产生出来执行一个程序

创建→就绪       当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态

就绪→运行        处于就绪状态的进程被进程调度程序选中后，就分配到处理机上来运行

运行→结束        当进程表示它已经完成或者因出错，当前运行进程会由操作系统作结束处理

运行→就绪        处于运行状态的进程在其运行过程中，由于分配给它的处理机时间片用完而让出处理机

运行→等待        当进程请求某资源且必须等待时

等待→就绪        当进程要等待某事件到来时，它从阻塞状态变到就绪状态

1.9进程挂起

处在挂起状态的进程映像在磁盘上， 目的是减少进程占用内存

等待挂起状态（Blocked-suspend）进程在外存并等待某事件的出现

就绪挂起状态（Ready-suspend）  进程在外存，但只要进入内存，即可运行

挂起(Suspend)：把一个进程从内存转到外存

等待到等待挂起  没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资源

就绪到就绪挂起  当有高优先级等待（系统认为会很快就绪的）进程和低优先级就绪进程

运行到就绪挂起   对抢先式分时系统，当有高优先级等待挂起进程因事件出现而进入就绪挂起

等待挂起到就绪挂起  当有等待挂起进程因相关事件出现

激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存

就绪挂起到就绪  没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程

等待挂起到等待  当一个进程释放足够内存，并有高优先级等待挂起进程

1.10状态队列

由操作系统来维护一组队列，表示系统中所有进程的当前状态

不同队列表示不同状态就绪队列、各种等待队列

根据进程状态不同，进程PCB加入相应队列，进程状态变化时，它所在的PCB会从一个队列换到另一个

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2.线程管理

编写一个MP3播放软件。核心功能模块有三个：

（1）从MP3音频文件当中读取数据  （2）对数据进行解压缩  （3）把解压缩后的音频数据播放出来

如果采用单进程方式，则读取，解压，播放顺序执行，由于读取，解压需要等待阻塞，因此play播放效果不好。

如果采用多进程方式，则三个进程需要共享数据，三个进程的生命周期管理开销很大。

采用多线程方式来解决，线程之间可以并发执行，之间可以共享相同的地址空间。

2.1线程概念

线程是进程的一部分，描述指令流执行状态。它是进程中的指令执行流的最小单元，是CPU调度的基本单位。

进程的资源分配角色：进程由一组相关资源构成，包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源；

线程的处理机调度角色：线程描述在进程资源环境中的指令流执行状态；

进程地址空间组成：代码段  数据段  堆栈段   共享库  段表

同一进程内的不同线程共享进程地址空间的代码段  数据段  堆   共享库  段表；同时各个线程拥有各自的栈，各自的寄存器，各自的PC,SP

线程 = 进程 - 共享资源

线程的优点：

一个进程中可以同时存在多个线程

各个线程之间可以并发地执行

各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

线程的缺点：

一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程崩溃

2.2进程和线程

单线程进程，多线程进程，同一个进程内的线程共享进程的代码  数据以及打开文件等；各个线程拥有各自的寄存器，堆栈等。

不同操作系统对线程的支持

线程与进程的比较

进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位；

进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享指令流执行的必要资源，如寄存器和栈；

线程具有就绪、等待和运行三种基本状态和状态间的转换关系；

线程能减少并发执行的时间和空间开销；线程的创建时间比进程短，线程的终止时间比进程短，同一进程内的线程切换时间比进程短，由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可不通过内核进行直接通信；

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线程实现方式主要有三种：

用户线程：在用户空间实现  POSIX Pthreads，Mach C-threads，Solaris threads

内核线程：在内核中实现  Windows，Solaris，Linux

轻量级进程：在内核中实现，支持用户线程Solaris       (LightWeight Process)

2.3用户线程

由一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括线程的创建、终止、同步和调度等

用户线程的特征

不依赖于操作系统的内核，内核不了解用户线程的存在，可用于不支持线程的多进程操作系统；

在用户空间实现的线程机制，每个进程有私有的线程控制块（TCB）列表，TCB由线程库函数维护；

同一进程内的用户线程切换速度快，无需用户态/核心态切换；

允许每个进程拥有自已的线程调度算法；

用户线程的不足

线程发起系统调用而阻塞时，则整个进程进入等待；

不支持基于线程的处理机抢占，除非当前运行线程主动放弃，它所在进程的其他线程无法抢占CPU；

只能按进程分配CPU时间，多个线程进程中，每个线程的时间片较少；

2.4内核线程

由内核通过系统调用实现的线程机制，由内核完成线程的创建、终止和管理。

内核线程的特征

由内核维护PCB和TCB；

线程执行系统调用而被阻塞不影响其他线程；

线程的创建、终止和切换相对较大，通过系统调用/内核函数，在内核实现；

以线程为单位进行CPU时间分配，多线程的进程可获得更多CPU时间；

2.5轻量级进程

内核支持的用户线程。一个进程可有一个或多个轻量级进程，每个轻权进程由一个单独的内核线程来支持。（Solaris/Linux）

用户线程与内核线程的对应关系

POSIX中pthread线程包对于线程的函数部分定义

参考：清华大学 操作系统  陈渝  http://os.cs.tsinghua.edu.cn/oscourse/OS2015/