操作系统：第二章 进程管理1 - 进程、线程
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第二章 進程管理 - 進程、線程
目錄
- 第二章 進程管理 - 進程、線程
- 進程的概念
- 進程的創建
- PCB
- 程序是如何運行的？
- 進程的特征
- 進程的5種狀態
- 創建態
- 就緒態
- 運行態
- 阻塞態
- 終止態
- 進程狀態的轉換
- 進程的組織方式
- 進程控制
- 如何實現原語的原子性？
- 進程控制相關的原語
- 進程通信
- 1、共享存儲
- 2、管道通信
- 3、消息傳遞
- 線程
- 為什么引入線程？
- 線程的屬性
- 線程的實現方式
- 1、用戶級線程
- 2、內核級線程
- 3、多線程模型
- 一對一模型
- 多對一模型
- 多對多模型
進程的概念
進程是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。（線程是調度的基本單位）
程序：是靜態的，是一個存放在磁盤里的可執行文件，是一系列指令的集合
進程：是動態的，是程序的一次執行過程
例如，同時掛三個QQ號，會對應三個QQ進程，它們的PCB、數據段各不相同，但程序段的內容都是相同的（都是運行著相同的QQ程序）
進程的創建
當進程被創建時，操作系統會為該進程分配一個唯一的、不重復的“身份證號”—— PID（Process ID，進程ID）
PCB
進程相關的信息都被保存在一個數據結構PCB （Process Control Block）中，即進程控制塊
操作系統需要對各個并發運行的進程進行管理，但凡管理時所需要的信息，都會被放在PCB中
程序是如何運行的？
一個進程實體（進程映像）由 PCB、程序段、數據段 組成。
進程是動態的，進程實體（進程映像，類似于快照的概念）是靜態的。
進程實體反應了進程在某一時刻的狀態（如：x++后，x=2）
- PCB 是給操作系統用的
- 程序段、數據段是給進程自己用的。
進程的特征
進程的5種狀態
創建態
進程正在被創建時，它的狀態是“創建態”，在這個階段操作系統會為進程分配資源、初始化PCB
就緒態
當進程創建完成后，進入“就緒態”，處于就緒態的進程已經具備運行條件，但由于沒有空閑CPU，就暫時不能運行。當CPU空閑時，操作系統就會選擇一個就緒進程，讓它上處理機運行
運行態
如果一個進程此時在CPU上運行，那么這個進程處于“運行態”，CPU會執行該進程對應的程序（執行指令序列）
阻塞態
在進程運行的過程中，可能會請求等待某個事件的發生（如等待某種系統資源的分配，或者等待其他進程的響應）。在這個事件發生之前，進程無法繼續往下執行，此時操作系統會讓這個進程下CPU，并讓它進入“阻塞態”，當CPU空閑時，又會選擇另一個“就緒態”進程上CPU運行
終止態
一個進程可以執行 exit 系統調用，請求操作系統終止該進程。此時該進程會進入“終止態”，操作系統會讓該進程下CPU，并回收內存空間等資源，最后還要回收該進程的PCB。當終止進程的工作完成之后，這個進程就徹底消失了。
進程狀態的轉換
進程PCB中，會有一個變量state 來表示進程的當前狀態。如：1表示創建態、2表示就緒態、3表示運行態…
為了對同一個狀態下的各個進程進行統一的管理，操作系統會將各個進程的PCB組織起來。
進程的組織方式
大多數操作系統采用鏈接方式。
進程控制
進程控制的過程要一氣呵成，不可以被打斷，用原語來實現。
例如，“將PCB的state設為1” “將PCB從阻塞隊列放入就緒隊列” 這兩個步驟，不能被打斷
如何實現原語的原子性？
原語的執行具有原子性，即執行過程只能一氣呵成，期間不允許被中斷。
可以用“關中斷指令”和“開中斷指令”這兩個特權指令實現原子性。
正常情況下，CPU每執行完一條指令，都會例行檢查是否有中斷信號需要處理，如果有，則暫停運行當前這段程序，轉而執行相應的中斷處理程序。
而 CPU 執行了關中斷指令之后，就不再例行檢查中斷信號，直到執行開中斷指令之后才會恢復檢查。
這樣，關中斷、開中斷之間的這些指令序列就是不可被中斷的，這就實現了“原子性”
進程控制相關的原語
理解即可，不需要記憶
進程通信
顧名思義，進程通信就是指進程之間的信息交換。
進程是分配系統資源的單位（包括內存地址空間），因此各進程擁有的內存地址空間相互獨立。
為了保證安全，一個進程不能直接訪問另一個進程的地址空間。但是進程之間的信息交換又是必須實現的。為了保證進程間的安全通信，操作系統提供了一些方法。
1、共享存儲
-
基于數據結構的共享：比如共享空間里只能放一個長度為10的數組。這種共享方式速度慢、限制多，是一種低級通信方式
-
基于存儲區的共享：在內存中畫出一塊共享存儲區，數據的形式、存放位置都由進程控制，而不是操作系統。相比之下，這種共享方式速度更快，是一種高級通信方式。
2、管道通信
“管道”是指用于連接讀寫進程的一個共享文件，又名pipe文件。其實就是在內存中開辟一個大小固定的緩沖區。
兩個管道。
取走。當讀進程將數據全部取走后，管道變空，此時讀進程的 read() 系統調用將被阻塞。
況。
3、消息傳遞
進程間的數據交換以格式化的消息（Message）為單位。進程通過操作系統提供的“發送消息/接收消息”兩個原語進行數據交換。
線程
為什么引入線程？
有的進程可能需要“同時”做很多事，而傳統的進程只能串行地執行一系列程序。為此，引入了“線程”，來增加并發度。
可以把線程理解為“輕量級進程”。線程是一個基本的CPU執行單元，也是程序執行流的最小單位。引入線程之后，不僅是進程之間可以并發，進程內的各線程之間也可以并發，從而進一步提升了系統的并發度，使得一個進程內也可以并發處理各種任務（如QQ視頻、文字聊天、傳文件）
引入線程后，進程只作為除CPU之外的系統資源的分配單元（如打印機、內存地址空間等都是分配給進程的）。線程則作為處理機的分配單元。
線程的屬性
線程的實現方式
1、用戶級線程
- 優點：用戶級線程的切換在用戶空間即可完成，不需要切換到核心態，線程管理的系統開銷小
- 缺點：當一個用戶級線程被阻塞后，整個進程都會被阻塞，并發度不高。多個線程不可在多核處理機上并行運行。
2、內核級線程
優點：當一個線程被阻塞后，別的線程還可以繼續執行，并發能力強。多線程可在多核處理機上并行執行。
缺點：一個用戶進程會占用多個內核級線程，線程切換由操作系統內核完成，需要切換到核心態，因此線程管理的成本高，開銷大。
操作系統只“看得見”內核級線程，因此只有內核級線程才是處理機分配的單位。
3、多線程模型
一對一模型
一個用戶級線程映射到一個內核級線程。每個用戶進程有與用戶級線程同數量的內核級線程。
- 優點：當一個線程被阻塞后，別的線程還可以繼續執行，并發能力強。多線程可在多核處理機上并行執行。
- 缺點：一個用戶進程會占用多個內核級線程，線程切換由操作系統內核完成，需要切換到核心態，因此線程管理的成本高，開銷大。
多對一模型
多個用戶級線程映射到一個內核級線程。且一個進程只被分配一個內核級線程。
- 優點：用戶級線程的切換在用戶空間即可完成，不需要切換到核心態，線程管理的系統開銷小，效率高
- 缺點：當一個用戶級線程被阻塞后，整個進程都會被阻塞，并發度不高。多個線程不可在多核處理機上并行運行
多對多模型
n 個用戶級線程映射到m 個內核級線程（n >= m）
- 優點：克服了多對一模型并發度不高的缺點（一個阻塞全體阻塞），又克服了一對一模型中一個用
戶線程庫 進程占用太多內核級線程，開銷太大的缺點。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统：第二章 进程管理1 - 进程、线程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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