文章目錄

• • 進程的概念和特征
  • 進程和程序的關(guān)系
  • 進程的特征
  • 進程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換
  • 進程控制
  • 引起`進程終止`的事件主要有：
  • 操作系統(tǒng)`終止進程`過程如下（`撤銷原語`）：
  • `阻塞原語`的執(zhí)行過程如下：
  • `喚醒原語`的執(zhí)行過程如下：
  • `進程切換`的過程如下：
  • 進程組織
  • 進程通信
  • 線程概念和多線程模式
  • 線程的提出有利于提高系統(tǒng)并發(fā)性
  • 小結(jié)

進程的概念和特征

進程的概念
在多道程序環(huán)境下允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，此時這些程序會失去封閉性，并具有間斷性以及不可再現(xiàn)性。為此引入了進程（Process）的概念，以便于更好的去描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)性和共享性（操作系統(tǒng)最基本的兩個特征）。
為了能使參與并發(fā)執(zhí)行的程序能夠獨立運行，必須要為每個進程配置一個進程控制塊（PCB）。

系統(tǒng)利用PCB來描述進程的基本情況和運行狀態(tài)，進而控制和管理進程。

進程映像（進程實體）由程序段、相關(guān)數(shù)據(jù)段和PCB三部分構(gòu)成。進程映像是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的，進程是進程映像的運行過程。所謂創(chuàng)建進程實質(zhì)上是創(chuàng)建進程映像中的PCB，而撤銷進程實質(zhì)上是撤銷進程的PCB。

！！！PCB是進程存在的唯一標志。

進程和程序的關(guān)系

進程是動態(tài)的，程序是靜態(tài)的

進程是暫時的，程序是永久的

進程和程序的組成不同

一個程序可以產(chǎn)生多個不同的進程，一個進程可以執(zhí)行多個程序；
進程可以創(chuàng)建其他進程，程序不能產(chǎn)生新程序

進程具有并行特性（獨立性和異步性），程序沒有

①進程是程序的一次執(zhí)行過程。
②進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動。
③進程是具有獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。

進程的特征

進程是由多道程序的并發(fā)執(zhí)行引出的，它和程序是兩個不同的概念，進程的基本特征是對比單個程序的順序執(zhí)行提出的，也是對進程管理提出的基本要求。
①動態(tài)性
進程是程序的一次執(zhí)行，它有著創(chuàng)建、活動、暫停、終止等過程，具有一定的生命周期，是動態(tài)的產(chǎn)生，變化和消亡的。動態(tài)性是進程最基本的特征
②并發(fā)性
并發(fā)性是指多個進程實體同時存于內(nèi)存中，能在一段時間內(nèi)同時運行。并發(fā)性是進程的重要特征，同時也是操作系統(tǒng)的重要特征，引入進程的目的就是為了使程序能與其他進程的程序并發(fā)執(zhí)行，從而提高資源利用率。
③獨立性
獨立性是指進程實體是一個能獨立運行，獨立獲得資源和獨立接受調(diào)度的基本單位。
凡未建立PCB的程序都不能作為一個獨立的單位參與運行。
④異步性
由于進程的相互制約，使得進程具有執(zhí)行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可預知的速度向前推進。異步性會導致執(zhí)行結(jié)果的不可再現(xiàn)性，為此，在操作系統(tǒng)中必須配置相應的進程同步機制。
⑤結(jié)構(gòu)性
每個進程都配置一個PCB對其進行描述。從結(jié)構(gòu)上看進程實體是由程序段、數(shù)據(jù)段和進程控制塊三部分組成。

進程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換

一個進程在其生命周期中，由于系統(tǒng)各進程之間的相互制約關(guān)系以及系統(tǒng)的運行環(huán)境的變化，會使得進程的狀態(tài)也在不斷的發(fā)生變化（一個進程會經(jīng)歷若干不同的狀態(tài)），通常情況下會有以下5種狀態(tài)，前3種是進程的基本狀態(tài)。

運行態(tài)
進程正在處理機上運行。在單處理機環(huán)境下，每個時刻最多只有一個進程處于運行態(tài)。

就緒態(tài)
進程獲得了除處理機之外的一切所需資源，一旦得到處理機便可立即運行。系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的進程可能有多個，通常將它們排成一個隊列稱為就緒隊列。

阻塞態(tài)
阻塞態(tài)又稱等待態(tài)。進程正在等待某一事件而暫停運行，如等待某資源為可用（不包括處理機）或等待輸入/輸出完成。即使處理機空閑，該進程也不能運行。

創(chuàng)建態(tài)
進程正在被創(chuàng)建，尚未轉(zhuǎn)到就緒態(tài)。
進程創(chuàng)建通常需要多個步驟：
首先申請一個空白的PCB，并向PCB中填寫一些控制和管理進程的信息，然后由系統(tǒng)為該進程分配運行時所必需的資源，最后把該進程轉(zhuǎn)入就緒態(tài)。

結(jié)束態(tài)
進程正從系統(tǒng)中消失，可能是進程正常結(jié)束或者是其他原因中斷退出運行。進程需要結(jié)束運行時，系統(tǒng)首先必須置該進程為結(jié)束態(tài)，然后再進一步處理資源釋放和回收等工作。

注意區(qū)別就緒態(tài)和等待態(tài)：
就緒態(tài)是指進程僅僅缺少了處理機，只要獲得處理機資源就可以立即運行進程，而等待態(tài)是指進程需要其他資源（除了處理機）或等待某一件事件。

之所以將處理機和其他資源劃分開，是因為在分時系統(tǒng)的時間片輪轉(zhuǎn)機制中，每個進程分到的時間片是幾毫秒，也就是說進程得到處理機的時間很短，而且非常頻繁，進程在運行過程中實際上是頻繁的轉(zhuǎn)換到就緒態(tài)，而其他資源（比如說外設(shè)）的使用和分配或某一事件的發(fā)生（如io操作的完成）對應的時間相對來說很長，進程轉(zhuǎn)換到等待態(tài)的次數(shù)也相對較少，這樣看來就緒態(tài)和等待態(tài)是進程生命周期中兩個完全不同的狀態(tài)，需要加以區(qū)分。

• 就緒態(tài)→運行態(tài)
  處于就緒態(tài)的進程被調(diào)度后獲得處理機資源（分派處理機時間片），于是進程由就緒態(tài)轉(zhuǎn)換為運行態(tài)。
• 運行態(tài)→就緒態(tài)
  處于運行態(tài)的進程，在時間片用完后不得不讓出處理機，從而進程由運行態(tài)轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)，此外在可剝奪的操作系統(tǒng)中，當有更高優(yōu)先級的進程就緒時，調(diào)度程度將正在執(zhí)行的進程轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)，讓更高優(yōu)先級的進程執(zhí)行。
• 運行態(tài)→阻塞態(tài)
  進程請求某一資源（如外設(shè)）的使用和分配，或等待某一事件的發(fā)生時，它就從運行態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞態(tài)，進程以系統(tǒng)調(diào)用的形式請求操作系統(tǒng)提供服務，這是一種特殊的由運行用戶態(tài)程序調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核過程的程序。
• 阻塞態(tài)→就緒態(tài)
  進程等待的事件到來時（如IO操作結(jié)束或中斷結(jié)束時），中斷處理程序必須把相應進程的狀態(tài)由阻塞態(tài)轉(zhuǎn)化為就緒態(tài)。

一個進程從運行態(tài)變?yōu)樽枞麘B(tài)是主動行為，而從阻塞態(tài)變成就緒態(tài)是被動行為，需要其他相關(guān)進程的協(xié)助。

進程控制

一般把進程控制用的程序段稱為原語，原語的特點是執(zhí)行期間不允許中斷，它是一個不可分割的基本單位。

進程創(chuàng)建
允許一個進程創(chuàng)建另外一個進程，創(chuàng)建者稱為父進程，被創(chuàng)建的進程稱為子進程。子進程可以繼承父進程所擁有的資源，當子進程被撤銷時，應將其從父進程那里獲得的資源歸還給父進程，此外在撤銷父進程時必須同時撤銷其所有的子進程。
在操作系統(tǒng)中，終端用戶登錄系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)提供服務、用戶程序的請求等都會引起新進程的創(chuàng)建。操作系統(tǒng)會創(chuàng)建一個新的進程（創(chuàng)建原語）：
①為新進程分配一個唯一的進程標識號，并申請一個空白的PCB(PCB是有限的)。若PCB申請失敗，則創(chuàng)建失敗。
②為進程分配資源，為新進程的程序和數(shù)據(jù)及用戶棧分配必要的內(nèi)存空間（PCB中體現(xiàn)）。若資源不足，則并不是創(chuàng)建失敗，而是處于阻塞態(tài)，等待內(nèi)存資源。
③初始化PCB主要包括初始化標志信息，初始化處理機狀態(tài)信息和初始化處理機控制信息，以及設(shè)置進程的優(yōu)先級等。
④若進程就緒隊列能夠接納新進程，則將新進程插入就緒隊列，等待被調(diào)度運行。

進程終止

引起進程終止的事件主要有：

①正常結(jié)束，表示進程的任務已完成，并準備退出運行。
②異常結(jié)束，表示進程在運行時發(fā)生了某種異常事件，使程序無法繼續(xù)運行。
③外界干預，指進程應外界的請求而終止運行。

操作系統(tǒng)終止進程過程如下（撤銷原語）：

①根據(jù)被終止進程的標識符，檢索PCB，從中讀出該進程的狀態(tài)。

②若被終止進程處于執(zhí)行狀態(tài)，立即終止該進程的執(zhí)行,將處理機資源分配給其他進程。

③若該進程還有子孫進程，則應將其所有子孫進程終止。

④將該進程所擁有的全部資源，或歸還給其父進程，或歸還給操作系統(tǒng)。

⑤將該PCB從所在隊列（鏈表）中刪除。

進程阻塞和喚醒
正在執(zhí)行的進程，由于期待的某些事件尚未發(fā)生（如請求系統(tǒng)資源失敗，等待某種操作完成，新數(shù)據(jù)尚未到達或無心工作可做等），由系統(tǒng)自動執(zhí)行阻塞原語（Block），使自己由運行態(tài)變?yōu)樽枞麘B(tài)，可見進程的阻塞是進程自身的一種主動行為，也因此只有處于運行態(tài)的進程才可能將其轉(zhuǎn)為阻塞態(tài)

阻塞原語的執(zhí)行過程如下：

①找到將要被阻塞進程的標識號對應的PCB
②若該進程為運行態(tài)，則保護其現(xiàn)場，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻塞態(tài)停止運行
③把該PCB插入相應事件的等待隊列，將處理機資源調(diào)度給其他就緒進程

當被阻塞進程所期待的事件發(fā)生（如它所啟動的IO操作已完成，或其所期待的數(shù)據(jù)已到達）時，由有關(guān)進程調(diào)用喚醒原語（Wakeup），將等待該事件的進程喚醒。

喚醒原語的執(zhí)行過程如下：

①在該事件的等待隊列中找到相應的進程的PCB

②將其從等待隊列中移出，并致其狀態(tài)為就緒態(tài)

③把該PCB插入就緒隊列，等待調(diào)度程序調(diào)度

Block原語和Wakeup原語是一對作用剛好相反的原語，必須成對使用。Block原語是被阻塞進程自我調(diào)用實現(xiàn)的，而Wakeup原語則是由一個與被喚醒進程合作或被其他相關(guān)的進程調(diào)用實現(xiàn)的。

進程切換
對于通常的進程來說，其創(chuàng)建、撤銷及要求由系統(tǒng)設(shè)備完成的IO操作都是利用系統(tǒng)調(diào)用而進入內(nèi)核的，再由內(nèi)核中的相應處理程序予以完成。進程切換同樣是在內(nèi)核的支持下實現(xiàn)的，可以說任何競爭都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運行的，是與內(nèi)核緊密相關(guān)。
進程切換是指處理機從一個進程的運行轉(zhuǎn)到另一個進程上運行，在這個過程中進程的運行環(huán)境產(chǎn)生了實質(zhì)性的變化

進程切換的過程如下：

①保存處理機上下文，包括程序計數(shù)器和其他寄存器。

②更新PCB信息。

③把進程的PCB移入相應的隊列。如就緒、在某事件阻塞等隊列。

④選擇另一個進程執(zhí)行并更新其PCB。

⑤更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

⑥恢復處理機上下文。

進程切換與處理機模式切換是不同的，模式切換時處理機邏輯上可能還在同一進程中運行。若進程因中斷或異常進入核心態(tài)運行，執(zhí)行完后又回到用戶態(tài)剛被中斷的程序運行，則操作系統(tǒng)只需恢復進程進入內(nèi)核時所保存的CPU現(xiàn)場，而無需改變當前進程的環(huán)境信息。但若要切換進程，當前的運行進程改變了，則當前進程的環(huán)境信息也需要改變。

進程組織

進程是一個獨立的運行單位，也是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位，由以下三部分組成，最核心的部分是進程控制塊PCB。

進程控制塊
1）進程創(chuàng)建時，操作系統(tǒng)為它新建一個PCB，該結(jié)構(gòu)之后常駐內(nèi)存，任何時刻都可以存儲，并在進程結(jié)束時刪除，PCB是進程實體的一部分，是進程存在的唯一標志。
2）進程執(zhí)行時，系統(tǒng)通過其PCB了解進程的現(xiàn)行狀態(tài)信息，以便對其進行控制和管理。
3）進程結(jié)束時系統(tǒng)回收其PCB，該進程隨之消亡，操作系統(tǒng)通過PCB表來管理和控制進程。
4）當操作系統(tǒng)想要調(diào)度某進程運行時，要從該進程的PCB中查出其現(xiàn)行狀態(tài)和優(yōu)先級；在調(diào)度到某進程后，要根據(jù)其PCB所保存的處理機狀態(tài)信息，設(shè)置該進程恢復運行的現(xiàn)場，并根據(jù)其PCB中的程序和數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址找到其程序和數(shù)據(jù)。
5）進程在運行過程中，當需要和與之合作的進程實現(xiàn)同步、通信或訪問文件時，也需要訪問PCB。
6）當進程由于某種原因而暫停運行時，又需將其斷點的處理機環(huán)境保存在PCB中。
可見在進程的整個生命期中，系統(tǒng)總是通過PCB對進程進行控制，系統(tǒng)唯有通過進程的PCB才能感知到其進程的存在。
PCB主要包括進程描述、信息進程控制、管理信息、資源分配清單和處理機相關(guān)信息等。

①進程描述信息
進程標識符：標志各個進程，每個進程都有唯一一個標識號。
用戶標識符：進程歸屬的用戶，用戶標識符主要為共享和保護服務。

②進程控制和管理信息
進程當前狀態(tài)：描述進程的狀態(tài)信息作為處理機分配調(diào)度的依據(jù)。
進程優(yōu)先級：描述進程搶占處理機的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程可優(yōu)先獲得處理機。

③資源分配清單
用于說明有關(guān)內(nèi)存地址空間或虛擬地址空間的情況，所打開文件的列表和所使用的輸入輸出設(shè)備信息。

④處理機相關(guān)信息
主要指處理機中各寄存器的值。當進程被切換時，處理機狀態(tài)信息都必須保存在相應的PCB中，以便在該進程重新執(zhí)行時，能從斷點繼續(xù)執(zhí)行。

PCB包含內(nèi)容：
—

在一個系統(tǒng)中通常存在著許多進程的PCB，有的處于就緒態(tài)，有的處于阻塞態(tài)，而且阻塞下來的原因各不相同。
為了方便進程的調(diào)度和管理，需要將各進程的PCB用適當?shù)姆椒ńM織起來，目前常用的組織方式有鏈接方式和索引方式兩種：
鏈接方式：將同一狀態(tài)的PCB鏈接成一個隊列，不同狀態(tài)對應不同的隊列，也可把處于阻塞態(tài)的進程的PCB，根據(jù)其阻塞原因的不同，排成多個阻塞隊列。
索引方式：將同一狀態(tài)的進程組織在一個索引表中，索引表的表項指向相應的PCB，不同狀態(tài)對應不同的索引表，如就緒索引表和阻塞索引表等。
2. 程序段
程序段就是能被進程調(diào)度程序調(diào)度到CPU執(zhí)行的程序代碼段。
程序可被多個進程共享，即多個進程可以運行同一個程序。
3. 數(shù)據(jù)段
一個進程的數(shù)據(jù)段可以是進程對應的程序加工處理的原始數(shù)據(jù)，也可以是程序執(zhí)行時產(chǎn)生的中間或最終結(jié)果。

進程通信

進程通信是指進程之間的信息交換，PV操作是低級通信方式，高級通信方式是指以較高的效率傳輸大量數(shù)據(jù)的通信方式，高級通信方法主要有以下三類：

共享存儲
在通信的進程之間存在一塊可直接訪問的共享空間，通過對這片共享空間進行讀寫操作實現(xiàn)進程之間的信息交換。在對共享空間進行讀寫操作時，需要使用同步互斥工具(如PV操作)，對共享空間的讀/寫操作進行控制。
共享存儲又分為兩種：
低級共享是基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的共享
高級共享是基于存儲區(qū)的共享
操作系統(tǒng)只負責為通信進程提供可共享使用的存儲空間和同步互斥工具，而數(shù)據(jù)交換則由用戶自己安排讀寫指令完成

注意：用戶進程空間一般都是獨立的，進程運行期間一般不能訪問其他進程的空間，要想讓兩個用戶進程共享空間必須通過特殊的系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)，而進程內(nèi)的線程是自然共享進程空間的。

消息傳遞
在消息傳遞系統(tǒng)中，進程間的數(shù)據(jù)交換是以格式化的消息為單位的，如果通信的進程之間不存在可直接訪問的共享空間，則必須利用操作系統(tǒng)提供的消息傳遞方法實現(xiàn)進程通信。
進程通過系統(tǒng)提供的發(fā)送消息和接收消息兩個原語進行數(shù)據(jù)交換
①直接通信方式
發(fā)送進程直接把消息發(fā)送給接收進程，并將它掛在接收進程的消息緩沖隊列上，接收進程從消息緩沖隊列中取得信息。

②間接通信方式
發(fā)送進程把消息發(fā)送到某個中間實體，接收進程從中間實體取得消息，這種中間實體一般稱為信箱，這種通信方式又成為信箱通信方式。
該通信方式廣泛應用于計算機網(wǎng)絡中，相應的通信系統(tǒng)稱為電子郵件系統(tǒng)。

管道通信
管道通信是消息傳遞的一種特殊方式

所謂“管道”是指用于連接一個讀進程和一個寫進程，以實現(xiàn)它們之間的通信的一個共享文件，又名pipe文件。向管道（共享文件）提供輸入的發(fā)送進程（寫進程），以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入寫通道，而接收管道輸出的接收進程（讀進程）則從管道中接收（讀）數(shù)據(jù)，為了協(xié)調(diào)雙方的通信，管道機制必須提供以下三個方面的協(xié)調(diào)能力：互斥、同步和確定對方存在。

以Linux中的管道為例：
在Linux中管道是一種使用非常頻繁的通信機制，從本質(zhì)上說管道也是一種文件，但它又和一般的文件有所不同，管道可以克服使用文件進行通信的兩個問題：
①限制管道的大小。
實際上管道是一個固定大小的緩沖區(qū)，在Linux中該緩沖區(qū)的大小為4，kb，這是它的大小，不像穩(wěn)健那樣不加檢驗的增長，使用單個固定緩沖區(qū)也會帶來問題，比如在斜管道時可能變滿，這種情況發(fā)生時隨后對管道的right調(diào)用將默認的被阻塞，等待某些數(shù)據(jù)被讀取，以便騰出足夠的空間共write調(diào)用。

②獨進程也可能工作的比寫進程快。
當所有當前進程數(shù)據(jù)已被讀取時，管道變空，當這種情況發(fā)生時，一個隨后的read調(diào)用將默認的被阻塞，等待某些數(shù)據(jù)被寫入，這解決了瑞的調(diào)用返回文件結(jié)束的問題。

管道可以理解為共享存儲的優(yōu)化和發(fā)展。因為在共享存儲中，若某進程要訪問共享存儲空間，則必須沒有其他進程在該共享存儲空間中進行寫操作，否則訪問行為就會被阻塞，而管道通信中存儲空間進化成了緩沖區(qū)，緩沖區(qū)只允許一邊寫入另一邊讀出，因此只要緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)進程就能從緩沖區(qū)中讀出，而不必擔心會被其他進程在另一在其中進行寫操作而遭到阻塞。因為寫進程會先把緩沖區(qū)寫滿，然后才讓讀進程讀，當緩沖區(qū)中還有數(shù)據(jù)時寫進程不會往緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)，這也決定了管道通信必然是半雙工通信。

線程概念和多線程模式

線程的基本概念
引入進程的目的是為了更好地使多道程序并發(fā)執(zhí)行，提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量，而引入線程的目的則是為了減小程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。
線程最直接的理解就是“輕量級進程”，它是一個基本的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單元，由線程ID、程序計數(shù)器、寄存器集合和堆棧組成。
線程是進程中的一個實體，是被系統(tǒng)獨立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，只擁有一點兒在運行中必不可少的資源，但它可與同屬一個進程的其他線程共享進程所擁有的全部資源。一個線程可以創(chuàng)建和撤銷另一個線程，同一進程中的多個線程之間可以并發(fā)執(zhí)行。由于線程之間的相互制約，致使線程在運行中呈現(xiàn)出間斷性。線程也有就緒、阻塞和運行三種基本狀態(tài)。
引入線程后，進程只作為除CPU外的系統(tǒng)資源的分配單元，而線程則作為處理機的分配單元。由于一個進程內(nèi)部有多個線程，若線程的切換發(fā)生在同一個進程內(nèi)部，則只需要很少的時空開銷。

線程與進程
1 )調(diào)度
在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，擁有資源和獨立調(diào)度的基本單位都是進程。
在引入線程的操作系統(tǒng)中，線程是獨立調(diào)度的基本單位，進程是擁有資源的基本單位。在同一進程中，線程的切換不會引起進程切換。在不同進程中進行線程切換，如從個進程內(nèi)的線程切換到另一個進程中的線程時，會引起進程切換。
2 )擁有資源
不論是傳統(tǒng)操作系統(tǒng)還是設(shè)有線程的操作系統(tǒng)，進程都是擁有資源的基本單位，而線程不擁有系統(tǒng)資源(也有點兒必不可少的資源) ，但線程可以訪問其隸屬進程的系統(tǒng)資源。要知道，若線程也是擁有資源的單位，則切換線程就需要較大的時空開銷，線程這個概念的提出就沒有意義。
3 )并發(fā)性
在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進程之間可以并發(fā)執(zhí)行，而且多個線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行，從而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性，提高了系統(tǒng)的吞吐量。
4 )系統(tǒng)開銷
由于創(chuàng)建或撤銷進程時，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，如內(nèi)存空間、I/O設(shè)備等，因此操作系統(tǒng)所付出的開銷遠大于創(chuàng)建或撤銷線程時的開銷。類似地，在進行進程切換時，涉及當前執(zhí)行進程CPU環(huán)境的保存及新調(diào)度到進程CPU環(huán)境的設(shè)置，而線程切換時只需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，開銷很小。此外，由于同進程內(nèi)的多個線程共享進程的地址空間，因此這些線程之間的同步與通信非常容易實現(xiàn)，甚至無須操作系統(tǒng)的干預。
5 )地址空間和其他資源(如打開的文件)
進程的地址空間之間互相獨立，同一進程的各線程間共享進程的資源，某進程內(nèi)的線程對于其他進程不可見。
6 )通信方面
進程間通信(IPC) 需要進程同步和互斥手段的輔助，以保證數(shù)據(jù)的一致性，而線程間可以直接讀/寫進程數(shù)據(jù)段(如全局變量)來進行通信。

線程屬性
多線程操作系統(tǒng)把線程作為獨立運行(或調(diào)度)的基本單位，此時的進程已不再是一個基本的可執(zhí)行實體，但它仍具有與執(zhí)行相關(guān)的狀態(tài)。所謂進程處于“執(zhí)行”狀態(tài)，實際上是指該進程中的某線程正在執(zhí)行。線程的主要屬性如下:
1 )線程是一個輕型實體， 它不擁有系統(tǒng)資源，但每個線程都應有一一個唯一的標識符和一一個線程控制塊，線程控制塊記錄了線程執(zhí)行的寄存器和棧等現(xiàn)場狀態(tài)。
2 )不同的線程可以執(zhí)行相同的程序，即同一個服務程序被不同的用戶調(diào)用時，操作系統(tǒng)把它們創(chuàng)建成不同的線程。
3 )同一進程中的各個線程共享該進程所擁有的資源。
4 )線程是處理機的獨立調(diào)度單位，多個線程是可以并發(fā)執(zhí)行的。
在單CPU的計算機系統(tǒng)中，各線程可交替地占用CPU；在多CPU的計算機系統(tǒng)中，各線程可同時占用不同的CPU，若各個CPU同時為一個進程內(nèi)的各線程服務，則可縮短進程的處理時間。
5 )一個線程被創(chuàng)建后，便開始了它的生命周期，直至終止。線程在生命周期內(nèi)會經(jīng)歷阻塞態(tài)、就緒態(tài)和運行態(tài)等各種狀態(tài)變化。

線程的提出有利于提高系統(tǒng)并發(fā)性

由于有了線程，線程切換時，有可能會發(fā)生進程切換，也有可能不發(fā)生進程切換，平均而言每次切換所需的開銷就變小了，因此能夠讓更多的線程參與并發(fā)，而不會影響到響應時間等問題。

線程實現(xiàn)方式
線程的實現(xiàn)可以分為兩類:用戶級線程(User-Level Thread, ULT)和內(nèi)核級線程(Kermel-Level Thread, KLT)。內(nèi)核級線程又稱內(nèi)核支持的線程。
1）在用戶級線程中
有關(guān)線程管理(線程的創(chuàng)建、撤銷和切換等)的所有工作都由應用程序完成，內(nèi)核意識不到線程的存在。應用程序可以通過使用線程庫設(shè)計成多線程程序。應用程序從單線程開始，在該線程中開始運行，在其運行的任何時刻，可以通過調(diào)用線程庫中的派生例程創(chuàng)建一個在相同進程中運行的新線程。
2）在內(nèi)核級線程中
線程管理的所有工作由內(nèi)核完成，應用程序沒有進行線程管理的代碼，只有一個到內(nèi)核級線程的編程接口。內(nèi)核為進程及其內(nèi)部的每個線程維護上下文信息，調(diào)度也在內(nèi)核基于線程架構(gòu)的基礎(chǔ)上完成。
3）有些系統(tǒng)中使用組合方式的多線程實現(xiàn)
線程創(chuàng)建完全在用戶空間中完成，線程的調(diào)度和同步也在應用程序中進行。一個應用程序中的多個用戶級線程被映射到一些(小于等于用戶級線程的數(shù)目)內(nèi)核級線程上。

多線程模式
有些系統(tǒng)同時支持用戶線程和內(nèi)核線程，由此產(chǎn)生了不同的多線程模型，即實現(xiàn)用戶級線程和內(nèi)核級線程的連接方式。
1)多對一模型
將多個用戶級線程映射到一個內(nèi)核級線程，線程管理在用戶空間完成。此模式中，用戶級線程對操作系統(tǒng)不可見(即透明)。

優(yōu)點：線程管理是在用戶空間進行的，因而效率比較高。
缺點：一個線程在使用內(nèi)核服務時被阻塞，整個進程都會被阻塞；多個線程不能并行地運行在多處理機上。

2)一對一模型
將每個用戶級線程映射到一個內(nèi)核級線程。

優(yōu)點:當一個線程被阻塞后，允許另一個線程繼續(xù)執(zhí)行，所以并發(fā)能力較強。

缺點:每創(chuàng)建一個用戶級線程都需要創(chuàng)建一個內(nèi)核級線程與其對應，這樣創(chuàng)建線程的開銷比較大，會影響到應用程序的性能。

3)多對多模型
將n個用戶級線程映射到m個內(nèi)核級線程上（m≤n）

特點：多對多模型是多對一模型和一對一模型的折中，既克服了多對模型并發(fā)度不高的缺點，又克服了一對一模型的一個用戶進程占用太多內(nèi)核級線程而開銷太大的缺點。此外，還擁有多對一模型和一對一模型各自的優(yōu)點。

小結(jié)

1)為什么要引入進程?

在多道程序同時運行的背景下，進程之間需要共享系統(tǒng)資源，因此會導致各程序在執(zhí)行過程中出現(xiàn)相互制約的關(guān)系，程序的執(zhí)行會表現(xiàn)出間斷性的特征。這些特征都是在程序的執(zhí)行過程中發(fā)生的，是動態(tài)的過程，而傳統(tǒng)的程序本身是一組指 令的集合，是一 一個靜態(tài)的概念，無法描述程序在內(nèi)存中的執(zhí)行情況，即我們無法從程序的字面上看出它何時執(zhí)行、何時停頓，也無法看出它與其他執(zhí)行程序的關(guān)系，因此，程序這個靜態(tài)概念已不能如實反映程序并發(fā)執(zhí)行過程的特征。為了深刻描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì)乃至更好地支持和管理多道程序的并發(fā)執(zhí)行，人們引入了進程的概念。

2)什么是進程?進程由什么組成?

進程是一個具有獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。它可以申請和擁有系統(tǒng)資源，是一個動態(tài)的概念，是一 一個活動的實體。它不只是程序的代碼本身，還包括當前的活動，通過程序計數(shù)器的值和處理寄存器的內(nèi)容來表示。

一個進程實體由程序段、相關(guān)數(shù)據(jù)段和PCB三部分構(gòu)成，其中PCB是標志一個進程存在的唯一標識，程序段是進程運行的程序的代碼，數(shù)據(jù)段則存儲程序運行過程中相關(guān)的一些數(shù)據(jù)。

3)進程是如何解決問題的?

進程把能夠識別程序運行態(tài)的一些變量存放在PCB中，通過這些變量系統(tǒng)能夠更好地了解進程的狀況，并在適當時進行進程的切換，以避免一些資源的浪費，甚至劃分為更小的調(diào)度單位一線程來提高系統(tǒng)的并發(fā)度。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【OS】进程与线程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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