操作系统 408-2-1

# 进程的概念、组成、特征

# 概念

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列额指令集合

进程：是动态的，是程序的一次执行过程（同一个程序多次执行会对应多个进程）

# 组成

PCB

• 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：
  • CPU、磁盘、网络流量使用情况统计...
  • 进程当前状态：就绪态 / 阻塞态 / 运行态...
• 资源分配清单：
  • 正在使用哪些文件
  • 正在使用哪些内存区域
  • 正在使用哪些 I/O 设备
• 处理机相关信息：如 PSW、PC 等等各种寄存器的值 (用于实现进程切换)

操作系统对进程进行管理工作所需的信息都存在 PCB 中

PCB 是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建 PCB，当进程结束时，会回收其 PCB

进程的组成

• PCB
• 程序段：程序的代码 (指令序列)
• 数据段：运行过程中产生的各种数据 (如：程序中定义的变量)

PCB 是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的

程序段、数据段、PCB 三部分组成了进程实体 (进程映象)

引入进程的概念后，可把进程定义为：

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

注意：PCB 是进程存在的唯一标识

一个进程被 "调度"，就是指操作系统决定让这个进程上 CPU 运行

# 进程的特征

• 动态性（进程最基本特征）
  • 进程是程序的一次执行过程，是动态产生的、变化和消亡的
• 并发性
  • 内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
• 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
• 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
• 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

# 进程的状态与转换、进程的组织

# 进程的状态

• 进程正在被创建时，它的状态是 "创建态"，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化 PCB
• 当进程创建完成后，便进入 "就绪态"，处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲 CPU，就暂时不能运行
• 如果一个进程此时在 CPU 上运行，那么这个进程处于 "运行态"，CPU 会执行该进程对应的程序 (执行指令序列)
• 在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生 (如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应)。在这个进程下 CPU，并让它进入 "阻塞态"，当 CPU 空闲时，又会选择另一个 "就绪态" 的进程上 CPU 运行
• 一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程。此时该进程会进入 "终止态"，操作系统会让该进程下 CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的 PCB

当终止进程的工作完成后，这个进程就彻底消失了

运行态、就绪态、阻塞态（三种为基本状态）

# 进程的组织

• 链接方式
  • 按照进程状态将 PCB 分为多个队列
  • 操作系统持有指向各个队列的指针
• 索引方式
  • 根据进程状态的不同，建立几张索引表
  • 操作系统持有指向各个索引表的指针

# 进程控制

进程控制的主要功能是对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

实现进程控制：原语

原语原子性实现方式：用关中断指令和开中断指令两个特权指令实现原子性

# 进程的创建

• 创建原语（操作系统创建一个进程时使用的原语）
  • 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（创建态 -> 就绪态）
• 引起进程创建的事件
  • 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新进程
  • 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
  • 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
  • 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程

# 进程的终止

• 撤销原语（就绪态 / 阻塞态 / 运行态 -> 终止态 -> 无）
  • 从 PCB 集合中找到终止进程的 PCB
  • 若进程正在运行，立刻剥夺 CPU，将 CPU 分配给其他进程
  • 终止其他所有子进程
  • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
  • 删除 PCB
• 引起进程终止的事件
  • 正常结束
  • 异常结束
  • 外界干预

# 进程的阻塞和唤醒

• 进程的阻塞
  • 阻塞原语（运行态 -> 阻塞态）
    • 找到要阻塞的进程对应的 PCB
    • 保护进程运行现场，将 PCB 状态设置为 "阻塞态"，暂时停止进程运行
    • 将 PCB 插入相应事件的等待队列
  • 引起进程阻塞的事件
    • 需要等待系统分配某种资源
    • 需要等待相互合作的其他进程完成工作
• 进程的唤醒
  • 唤醒原语（阻塞态 -> 就绪态）
    • 在事件等待队列中找到 PCB
    • 将 PCB 从等待队列中移除，设置进程为就绪态
    • 将 PCB 插入就绪队列，等待被调度
  • 引起进程唤醒的事件
    • 等待的事件发生

# 进程的切换

• 切换原语（运行态 -> 就绪态，就绪态 -> 运行态）
  • 将运行环境信息存入 PCB
  • PCB 移入相应队列
  • 选择另一个进程执行，并更新其 PCB
  • 根据 PCB 恢复进程所需的运行环境
• 引起进程切换的事件
  • 当前进程时间片到
  • 有更高优先级的进程到达
  • 当前进程主动阻塞
  • 当前进程终止

阻塞和唤醒必须成对出现

无论哪个进程控制原语，要做无非三件事：

• 更新 PCB 中的信息 (修改进程 State，保存 / 恢复运行环境)
• 将 PCB 插入合适的队列
• 分配 / 回收资源

# 进程通信

进程间通信：是指两个进程之间产生数据交互

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

共享存储

申请一片共享存储区域，两个进程都可以访问，但需要保证各个进程对共享空间的访问是互斥的

基于存储区的共享：操作系统会在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式

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

消息传递

进程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

格式化的消息：

• 消息头：消息头包括：发送进程 ID、接收进程 ID、消息长度等格式化的信息
• 消息体

直接通信方式：消息发送进程要指明接收进程 ID

• 发送方发送消息至内存中的消息队列中，并指明消息的接收方
• 接收方从消息队列中接收消息

间接通信方式：通过 "信箱" 间接地通信。因此又被称为 "信箱通信方式"

• 发送方发送消息至内存中的信箱中，指明要发送至哪一个信箱
• 接收放要指明要从哪一个信箱中接收信息
• 可以多个进程往同一个信箱 send 消息，也可以多个进程从同一个信箱里接收消息

管道通信

管道是一个特殊的共享文件，其实就是在内存开辟一个大小固定的内存缓冲区

• 管道只能采用半双工通信，某一时间内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时传输，则需要设置两个管道
• 各进程要互斥地访问管道 (由操作系统实现)
• 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程
• 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程
• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案
  • 一个管道允许多个写进程，一个读进程
  • 允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读取数据

# 线程

线程是一个基本的 CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单位。

引入线程后变化

• 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
• 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
• 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，如果是同一个进程内的线程切换，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

线程的属性

• 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
• 每一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
• 同一进程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
• 同一个进程中的线程切换，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，系统开销较大

# 线程的实现方式和多线程模型

# 线程的实现方式

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)

• 用户级线程中，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 "用户级线程" 就是 "从用户视角看能看到的线程"

• 优缺点：

  • 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，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机上并发运行

内核级线程

• 内核级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
• 操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB (线程控制块)，通过 TCB 对线程进行管理。"内核级线程" 就是 "从操作系统内核视角看能看到的线程"
• 优缺点：
  • 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。多线程可在多核处理机上并行执行
  • 缺点：一个用户进程会占用多个内核线程，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

# 多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型

• 一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程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。多线程可在多核处理机上并行执行
  • 缺点：一个用户进程会占用多个内核线程，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
• 多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程
  • 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机上并发运行

重点：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

• 多对多模型：n 用户级线程映射到 m 个内核级线程 (n>=m)。每个用户进程对应 m 个内核级线程
  • 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，开销太大的缺点

# 线程的状态与转换

线程的组织与控制：