【操作系统】-- 进程的描述与控制、线程（进程定义、组成、特征、状态、控制，线程定义、属性、实现）

一、进程的定义

为了能使程序并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制，引入进程概念。

典型的定义：

1、进程是程序的一次执行。

2、进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。

3、进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

引入进程实体概念后，可定义为：

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

二、进程的组成

Ⅰ、进程控制块（PCB）包括：

1、进程描述信息：①进程标识符②用户标识符

2、进程控制和管理信息：①进程当前状态②进程优先级

3、资源分配清单：①程序段指针②数据段指针③键盘④鼠标

4、处理及相关信息：各种寄存器值（保存当前程序执行到哪一句）

Ⅱ、程序段

存放要执行的代码

Ⅲ、数据段

存放程序运行过程中处理的各种数据

三、进程的特征

1、动态性（最基本的特征）

进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的。

2、并发性

内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。

3、独立性

进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位。

4、异步性

各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题。

5、结构性

每个进程都会配置一个PCB，结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。

四、进程的状态

运行态：占有CPU，并在CPU上运行。

就绪态：已经具备运行条件，但没有空闲CPU，而暂时不能运行。（已经拥有了除CPU之外的所有需要的资源）

阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行。（如等待分配打印机、等待读磁盘操作的结果）

五、进程控制

进程控制就是要实现进程状态的转换。

进程控制一般是由OS的内核中的原语来实现。（原语操作需要一气呵成，不可中断）

1、进程的创建

创建原语：①申请空白PCB

                  ②为新进程分配其运行所需的资源

                  ③初始化PCB

                  ④将PCB插入就绪队列

引起创建进程的事件：①用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会建立新的进程。

                                    ②作业调度：多道批处理系统中，新的作业放入内存，会建立新的进程，

                                    ③提供服务：用户提出请求，会新建一个进程处理该请求。

                                    ④应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程。

2、进程的切换

切换原语：①将运行环境信息存入PCB

                  ②PCB移入相应队列

                  ③选择另一个进程执行，并更新其PCB

                  ④根据PCB恢复新进程所需的运行环境

引起进程切换的事件：①当前进程时间片到

                                    ②有更高优先级的进程到达

                                    ③当前进程主动阻塞

                                    ④当前进程终止

六、线程

为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性，引入线程概念。

1、引入线程，带来的变化

（1）资源分配、调度

传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位。

引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。

（2）并发性

传统进程，只能进程间并发。

引入线程，各线程间也能并发，提升了并发度。

（3）系统开销

传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大。

线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小。

引入线程后，并发所带来的系统开销减小。

2、线程的属性

①线程是处理机调度的单位

②多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU

③每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB）

④线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态

⑤线程几乎不拥有系统资源

⑥同一进程的不同线程间共享进程的资源

⑦由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预

⑧同一进程中的线程切换，不会引起进程切换

⑨不同进程中的线程切换，会引起进程切换

⑩切换同进程内的线程，系统开销很小

切换进程，系统开销很大

3、线程的实现方式

用户级线程

所有的线程管理工作都由应用程序负责。

线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

在用户看来，是有多个线程，但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。

内核级线程（处理机分配的单位）

线程的管理工作由操作系统内核完成。

线程调度、切换等工作都有内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下完成。