【操作系统】2、进程与线程

【重要考点】
1. 进程与线程
进程与线程的基本概念
进程与线程的状态 转换 ——五态图，七态图
线程的实现： 内核级 用户级
进程与线程的组织和控制
进程间通信IPC： 共享内存、消息传递、管道

2.CPU调度与上下文切换
调度的基本概念
调度的实现
典型调度算法
上下文切换机制

3.同步与互斥
同步与互斥的基本概念
基本实现方法
锁、信号量、条件变量
经典同步问题

4.死锁
死锁的基本概念
形成死锁的四个条件
死锁的 预防，检测 ，避免，解除策略

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2.1 进程与线程

1.进程的概念与特征

概念 ：

引入进程的原因：

多道程序环境下，程序并发执行，程序失去封闭性，并具有间断性和不可再现性，进程的引入，更好的描述和控制了程序的并发执行，实现操作系统的
并发性和 共享性。( 回忆：操作系统四大特性：并发，异步，虚拟，共享。国外教材喜欢从 Concurrency ，Virtualization，persistence 三大特征入手，参考《操作系统导论》一书 )。

进程实体的结构：
一个进程的实体 ，称之为进程映像，它由：PCB ，程序段，数据段三部分构成。
进程实体是静态的，进程是动态的(一次运行、执行)。
进程映像反应了进程的某一时刻的状态。

[进程某一时刻的进程映像 ——图片来自王道]

进程的创建 实际上就是PCB的创建，进程的撤销，就是撤销进程的PCB。

进程的关键描述：
关于进程的定义，有很多种表述，但是我们记住这么一句话，面试和自己理解，都是最佳的：
进程是进程实体的运行过程，进程是系统进行资源分配调度的独立单位。

这些系统资源，可以是CPU时间片，可以是共享资源，可以是内存空间等等。

特征：

• 动态性
  进程是程序的一次执行，它有这 创建、活动、暂停 终止等过程，具有生命后期，是动态产生变化和消亡的。进程的动态性是它的最基本特征。

• 并发性
  多个进程可以同时存在于内存空间，可以对CPU等系统资源进行并发的使用。

• 独立性
  指进程是一个能独立运行、独立获取资源和独立接受调度的基本单位，PCB是进程存在的唯一标识符，没有创建PCB的程序，都不能作为一个独立单位参与运行

• 异步性
  由于进程的相互制约，使得各个进程按照各自独立的、不可预知的速度向前推进，异步性会导致程序执行结果的不可再现(每个准确的结果对多个进程来说，都需要一个固定的执行顺序，但是由于多个线程并发争抢资源，这个顺序往往就是由于异步性，导致不可确定)。

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2.1.2 进程状态的转换

进程五态图

• 运行态：进程在处理机上运行。单处理机中，每一时刻只有一个进程在运行。

• 就绪态：进程获得了除了 处理机以外的一切所需资源，一旦得到虚拟机，可立刻运行。
  由于系统中 可能有多个进程都处于就绪态，通常将他们排成一个队列，称为——就绪队列。

• 阻塞态 ：又称 等待态。进程正在等待某一事件而暂停运行。注意一点：即使等待到资源、事件，也并不能直接运行，而是转换为就绪态。阻塞的进程因为阻塞的原因，会形成各种阻塞原因的阻塞队列。凡是请求某一设备而未获得满足的，在设备管理中的 DCT表中设备队列的队首指针，就是指向该请求队列的队首PCB。

• 创建态：进程正在被创建，尚未转为就绪态。
  创建进程需要多个步骤：首先申请一个空白PCB，并向PCB中填入用于控制、管理进程的信息；然后为该进程分哦欸运行所需的必要的资源；最后把该进程转入就绪态，插入就绪队列。但是如果进程所需资源尚不能满足，则创建工作尚未完成，此时进程就是创建态。

• 终止态
  进程正在从系统中消失，可能是正常结束，也可能是一场退出。进程需要结束运行时，系统先将进程置为终止态，再处理资源释放和回收工作。

【注意点】

进程从运行态 变为 阻塞态 是主动的行为，从 阻塞态 转换为 就绪态 是被动行为。

如何理解上面这句话？

运行态—>阻塞态：
进程请求某一资源(如外设)的使用和分配，或等待某一事件的发生(如IO操作的完成)时，它就从运行态转换为阻塞态。 进程以系统调用的形式请求操作系统提供服务，这是一种特殊的由运行用户态调用操作系统内核过程的形式。

简而言之： 进程 通过 请求 某一设备、资源，系统服务的过程，由于资源尚未准备好，请求未果，只能等待。请求的动作，是主动发生的。

一个问题：
进程A请求打印机，打印机正忙，我们知道进程此时是阻塞态。那么如果进程A请求到了打印机，打印机正在打印A的内容呢？此时进程是什么状态？
此时进程是 阻塞态。
这个问题涉及到设备管理，进程A发起打印请求，是通过CPU执行指令的过程中触发对IO设备的请求的，当这个请求被发出，CPU此时会把A的现场保存在PCB中，维持现场。此时A的PCB进入打印机的DCT表的等待队列中，A变为阻塞态。如果设备控制策略是中断式、DMA或通道的，CPU会继续执行其他进程，A进程等待打印机，如果是程序直接控制，则CPU会一直轮询设备控制器的状态寄存器。
当打印机资源就绪，会从控制寄存器中读到cpu对A的打印请求，当打印完成，会触发中断，让CPU保存当前·正在执行的进程，转而去把A进程读入内存，转为就绪态，根据CPU时间片资源或优先级，分配给A进程CPU执行权，让它继续执行。

//TODO 七态在调度篇补充

2.1.3 进程的组成

1.进程控制块 PCB
进程创建时，操作系统为其创建PCB，PCB会常驻内存，任意时刻可以存取。进程结束将其删除。
PCB是进程存在的唯一标志。

2.程序段

3.数据段