操作系统——进程之基本介绍

一、进程的概念

1、进程和进程实体

• 进程实体，由程序段、数据段、PCB三部分组成。
  • PCB，系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）
  • 程序段，存放要执行的代码。
  • 数据段，存放程序运行过程中处理的各种数据。
• 进程，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。

进程实体是静态的，进程则是动态的

PCB组成

• 进程描述信息
  • 进程标识符PID
  • 用户标识符UID
• 进程控制和管理信息
  • 进程当前状态
  • 进程优先级
• 资源分配清单
  • 程序段指针
  • 数据段指针
  • 键盘
  • 鼠标
• 处理及相关信息
  • 各种寄存器值（当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一句）

2、进程的组织方式

进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

链接方式

索引方式

索引使用数组存放？链接是通过链表存放？

3、进程的特征

①动态性

进程是程序的依次执行过程，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。

二、进程的状态与转换

1、进程的状态

①运行态

占有CPU，并在CPU上运行

②就绪态

已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行（进程已经拥有了除处理机之外所有需要的资源，一旦获得处理及，即可立即进入运行态开始运行。）

③阻塞态

因等待某一事件而暂时不能运行

④创建态

进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB

⑤终止态

进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

2、进程的转换

三、进程控制

1、定义

进程控制，主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能

2、原语控制

使用原语实现进程控制。

原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。

原语采用“关中断指令” 和 “开中断指令” 实现

关/开中断的指令权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令

进程控制相关的原语

进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情：

1. 更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境）
   1. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
   2. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
   3. 某进程开始运行前必然要恢复前运行环境
2. 将PCB插入合适的队列
3. 分配/回收资源

①创建原语

状态转换： 无 -> 创建态 -> 就绪态

功能：申请空白PCB、为新进程分配所需资源、初始化PCB、将PCB插入就绪队列

引起条件：

1. 用户登录 ：分时系统中，用户登录成功，系统会建立为其建立一个新的进程
2. 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
3. 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，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撤销原语

状态转换： 就绪态/阻塞态/运行态 -> 终止态 -> 无

功能：

1. 从PCB集合中找到终止进程的PCB
2. 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
3. 终止其所有子进程
4. 将该进程拥有的资源归还给父进程或操作系统
5. 删除PCB

引起条件：

1. 正常结束
2. 异常结束
3. 外界干预

③阻塞原语

状态转换： 运行态 -> 阻塞态

功能：

1. 找到阻塞的进程对应的PCB
2. 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行
3. 将PCB插入相应事件的等待队列

引起条件：

1. 需要等待系统分配某种资源
2. 需要等待相互合作的其他进程完成工作

④唤醒原语

状态转换：阻塞态 -> 就绪态

功能：

1. 在事件等待队列中找到PCB
2. 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
3. 将PCB插入就绪队列，等待被调度

引起条件：

等待的事件发生

⑤切换原语

状态转换：运行态 -> 阻塞态/就绪态 | 就绪态 -> 运行态

功能：

1. 将运行环境信息存入PCB
2. PCB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

引起条件：

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

阻塞和唤醒要成对出现

四、进程通信

**进程通信：**就是指进程之间的信息呼唤。

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。

方法一：共享内存

①基于数据结构的共享

比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多、是一种低级通信方式。

②基于存储区的共享

在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

方法二：管道通信

管道，是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。

1. 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
2. 各进程要互斥地访问管道。
3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待都进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时都进程的read()系统调用将被阻塞。
4. 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5. 数据一旦被读出，就从管道被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有都错数据的情况。

方法三：消息传递

进程间的数据交换以 格式化的消息 为单位。进程通过操作系统提供的 “发送消息/接收消息” 两个原语进行数据交换。

五、线程、多线程模型

有的进程可能需要"同时"做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了"线程"，来增加并发度。

传统的进程时程序执行流的最小单位。

引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元。（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）

1、与传统进程的对比

①资源分配、调度

• 传统进程机制中，进程时资源分配、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

• 传统进程机制中，只能进程间并发
• 引入线程后，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、线程属性

• 线程是处理机调度的单位
• 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
• 每个线程都有一个线程ID，线程控制块(TCB)
• 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同意进场的不同线程间共享进程的资源
• 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
• 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
• 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
• 切换同进程内的线程，系统开销很小
• 切换进程，系统开销大

3、线程的实现方式

①用户级线程

用户级线程，由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）。

线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

②内核级线程

内核级线程，管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

③组合方式

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n各用户级线程映射到m各内核级线程上（ n >= m )

key: 操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位

3.1 组合方式——多对一模型

多对一模型：多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不想需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理及上并行运行

为什么会被阻塞？

因为线程切换是在核心态进行的，操作系统只能看到内核级线程，用户级线程阻塞反映在内核级线程也是阻塞的，所以整个进程会被阻塞？

3.2 组合方式——一对一模型

一对一模型：一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有于用户级同数量的内核级线程

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

3.3 组合方式——多对多模型

多对多模型：n用户及线程映射到 m 各内核级线程 （n >= m )。每个用户进程对应 m 各内核级线程。

克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销头太大的缺点。

问题

为什么同时需要内核级和用户级线程？

用户级线程不暴露在内核态，不一定需要转换到内核态操作，可以节省开销。