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文章目錄

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• 2 進程和線程
• • 2.1 進程
  • • 2.1.1 進程模型
    • 2.1.2 進程的創(chuàng)建
    • 2.1.3 進程的終止
    • 2.1.4 進程的層次結(jié)構(gòu)
    • 2.1.5 進程的狀態(tài)
    • 2.1.6 進程的實現(xiàn)
  • 2.2 線程
  • • 2.2.1 進程的使用
    • 2.2.2 經(jīng)典的線程模型
    • 2.2.3 POSIX線程
    • 2.2.4 在用戶空間中實現(xiàn)線程
    • 2.2.5 在內(nèi)核中實現(xiàn)線程
    • 2.2.6 混合實現(xiàn)
    • 2.2.7 調(diào)度程序激活機制

2 進程和線程

在操作系統(tǒng)中，最核心的概念是進程，這是對正在運行程序的一個抽象。操作系統(tǒng)的其他內(nèi)容都是圍繞進程的概念來展開的。

2.1 進程

在只有一個用戶的PC機開機的時候，實際上會秘密啟動很多進程。例如，啟動一個進程用來等待進入的電子郵件；或者啟動另一個防病毒進程周期性地檢查是否有病毒庫更新。或者更好笑的是，一開機就是垃圾捆綁軟件，什么2345，什么網(wǎng)頁游戲，這些都是進程。這么多進程的活動都是需要管理的，于是有一個支持多進程的多道程序系統(tǒng)在這里顯得就很有用了。

在任何多道程序設計系統(tǒng)中，CPU能夠很快地切換進程，這個很快是幾百毫秒哦。這也就讓人產(chǎn)生一種并行的錯覺，在一秒鐘內(nèi)怎么開了這么多進程？同時開的嗎？不是，實際上在一瞬間只能有一個進程讓CPU服務，只是進程切換地太快了，這就是偽并行。這和真正意義上的并行是有區(qū)別的，這也導致了此情形可以用來作為判別是否為多處理器系統(tǒng)的指標。

2.1.1 進程模型

在進程模型中，計算機上所有可運行的軟件，通常也包括操作系統(tǒng)，被組織成若干順序進程，簡稱進程(process)，進程是程序的一次執(zhí)行過程。

每個進程都擁有自己的虛擬CPU，當然，實際上真正的CPU在各進程之間來回切換。我們在之前的1.1.2 中時間復用技術曾經(jīng)提到過，當一個資源在時間上復用時，不同的程序或用戶輪流使用它。實際上對于CPU來說也是如此，在時間上進行復用的時候，不同的進程輪流使用它。這種快速地切換是需要特定的設計的，我們稱為多道程序設計。

如下圖，在一段時間內(nèi)，CPU為多個進程服務，但是觀察c圖，實際上在某個瞬間CPU只服務一個進程。

當然在上述的思考中，我們僅僅討論的是單核CPU，而不是多核。如果是多核CPU，根據(jù)我們之前所說，多核CPU可以看成一個大CPU里面裝了多個小的CPU；甚至于有的電腦還不止一個CPU，對于一些并行計算機，多處理器的情況也是很常見的。

對于大多數(shù)進程來說并不受CPU多道程序設計或其他進程相對速度的影響，因為每個進程占用所需CPU的時間是不同的，所以我們無法確定在快速切換進程的過程中，需要給每個進程多久的處理時間處理完才切換。這時候就迫切的需要干一件事，既然我無法確定一個進程需要多久的CPU，那我干脆每個進程占有CPU的時間都相同，但是在對一個進程處理未完的情況下，我需要有一種物件能夠保存其未處理完的狀態(tài)，就像別人玩單機游戲玩到一半去喝水一樣。在后面的小節(jié)中，我們會給出這個物件。

2.1.2 進程的創(chuàng)建

有4種主要事件會導致進程的創(chuàng)建：

• 系統(tǒng)初始化
• 正在運行的程序執(zhí)行了創(chuàng)建進程的系統(tǒng)調(diào)用
• 用戶請求創(chuàng)建一個新進程
• 一個批處理作業(yè)的初始化

啟動操作系統(tǒng)時，通常會創(chuàng)建若干個進程，有些事可以同用戶交互并且替他們工作的前臺進程，其余的為后臺進程。如果想要查看進程，在windows操作系統(tǒng)中可以使用任務管理器，在linux系統(tǒng)中可以用ps指令。

在像windows和ubuntu這樣的交互式系統(tǒng)中，點擊某個圖標都可以啟動一個程序，啟動的時候就相當于開啟了一個新的進程。

在一個進程開始的時候，可以不打開窗口，也可以打開一個或多個窗口，用戶可以用鼠標和鍵盤在窗口內(nèi)與進程交互，比如打開QQ的時候和別人用鍵盤打字聊天。

還有一種情況是在大型的批處理系統(tǒng)中，在操作系統(tǒng)認為有資源可以運行另一個作業(yè)時，它創(chuàng)建一個新的進程，并運行其輸入隊列中的下一個作業(yè)。

我們知道系統(tǒng)調(diào)用的作用之一是控制進程。在Unix系統(tǒng)中，只有一個系統(tǒng)調(diào)用可以用來創(chuàng)建進程，即fork。而在Windows中則是用Win32函數(shù)調(diào)用CreateProcess來負責進程的創(chuàng)建和程序裝入進程的過程。除了CreateProcess，Win32還有大約100個其他的函數(shù)用于進程的管理。

2.1.3 進程的終止

有4種主要事件會導致進程的終止：

• 正常退出
• 出錯退出
• 嚴重錯誤
• 被其他進程殺死

正常退出就沒什么好說了，Unix用的是exit，Windows調(diào)用的是ExitProcess。

出錯退出一般還好說，如果用戶在Linux鍵入命令cc foo.c要編譯文件foo.c，但是該文件不存在，那么編譯器就會退出。

如果是嚴重錯誤，比如分母為0，數(shù)組越界，空指針異常這類錯誤，那么進程會收到信號然后中斷。

最后一種在linux很常見的就是kill命令，利用kill 進程號可以殺死一個進程，而在Win32用的則是TerminateProcess函數(shù)。

2.1.4 進程的層次結(jié)構(gòu)

在前面，我們曾經(jīng)提到父子進程這個名詞，那么什么是父子進程呢？

在Unix中，通過fork函數(shù)創(chuàng)建的新進程是原進程的子進程，而調(diào)用fork函數(shù)的進程是fork函數(shù)創(chuàng)建出來的新進程的父進程。也就是說，通過fork函數(shù)創(chuàng)建的新進程與原進程是父子關系，fork就相當于一個憑證，有fork，就有父子關系。

但是這也有一個問題，我們學過java的都知道，繼承的父類和子類共享屬性，那么對應到這里的父子進程是否也有共享資源的說法呢？

事實是，父進程和子進程的共享方式采用的是寫時復制，即兩個進程在讀資源的時候的確是共享，但是在寫資源的時候，寫資源的那個進程先把資源拷貝一份然后進行操作，操作完然后在覆蓋到原來的資源上，在這個過程中我們可以發(fā)現(xiàn)，可寫的內(nèi)存時不可以被共享的。

經(jīng)過上面的說明，我們可以大概知道這么個事，子進程是父進程創(chuàng)建出來的。父進程可以有多個子進程，但是子進程只可以有一個父進程。在Unix中，父進程和所有子進程組成了一個進程組，當一個信號傳入進程組，進程組的每個進程成員皆可以捕獲該信號，并且采取相應的動作。

但是在Windows則沒有這些說法，所有的進程地位都是相同的。

2.1.5 進程的狀態(tài)

進程之間時常要相互作用，如Linux命令：cat chapter1 | grep tree，這個命令啟動了兩個進程，一個是cat，它將chapter文件進行輸出；一個是grep，它在cat輸出的文件中去搜索含有tree的那些單詞。

從這個過程我們可以發(fā)現(xiàn)一件事，如果cat進程還沒好，grep進程就無法運行。當一個進程在邏輯上不能繼續(xù)運行時，他就會被阻塞。

經(jīng)過上面的敘述，我們引入最簡單的三種狀態(tài)：

狀態(tài)說明

運行態(tài)	該時刻進程實際占用CPU
就緒態(tài)	可運行，但是因為其他進程正在運行而暫時停止
阻塞態(tài)	除非某種外部事件發(fā)生，否則進程不能運行

對于就緒態(tài)來說，很多人可能會和阻塞態(tài)搞混；實際上，就緒態(tài)是萬事俱備只欠CPU，即資源都準備好了但是沒有CPU給它用，而阻塞態(tài)則像我們上面引入的例子，因為某個事情還沒做好而導致其處于一個等待（阻塞）狀態(tài)，這也是為什么有時候阻塞態(tài)被稱為等待態(tài)的原因。

特別典型的例子是C++中我們可以使用

system("pause")；

來讓該進程處于阻塞狀態(tài)。

轉(zhuǎn)換上圖的2和3是由進程調(diào)度程序引起的，進程調(diào)度程序是操作系統(tǒng)的一部分。實際上進程調(diào)度也被叫做低級調(diào)度，當系統(tǒng)認為一個運行進程占用處理器太久了，他就會讓其他進程去占用CPU，此時發(fā)生轉(zhuǎn)換2；當系統(tǒng)已經(jīng)讓所有的程序都占用過CPU了，公平了，那么這個時候就會“重新洗牌”，第一個進程再次占有CPU，此時發(fā)生轉(zhuǎn)換3；當進程等待的一個外部事件發(fā)生時，則發(fā)生轉(zhuǎn)換4，當CPU此時空閑，則可以發(fā)生轉(zhuǎn)換3，該進程立刻運行，否則該進程將處于就緒態(tài)，等待CPU空閑。

2.1.6 進程的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)進程模型，操作系統(tǒng)維護著一張表格，即進程表。每個進程都占有一條元組（數(shù)據(jù)庫的說法），每條元組即PCB（進程控制塊），該元組中包含了進程狀態(tài)的重要信息，包括程序計數(shù)器、堆棧指針、內(nèi)存分配情況、所打開文件的狀態(tài)、賬號和調(diào)度信息以及其他在進程由運行態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒態(tài)或阻塞態(tài)時必須保存的信息，從而保證該進程隨后能夠再次啟動。

一個進程在執(zhí)行過程中可能被中斷數(shù)千次，但由于PCB的存在，即使中斷，也可以返回到發(fā)生中斷前完全相同的狀態(tài)。

2.2 線程

在很久以前還沒有引入進程之前，系統(tǒng)中的各個程序只能串行執(zhí)行。比如你想要邊聽歌邊開QQ，這是不可能做到的，只能先做一件事再做一件事。

后來引入進程后，系統(tǒng)中的各個程序可以并發(fā)執(zhí)行。也就是說，可以同時聽歌和開QQ。但是，即使引入了進程，也不能在QQ中同時視頻聊天和傳輸文件。這是因為操作系統(tǒng)每一次執(zhí)行都是按照進程為單位來執(zhí)行的。

從上面的例子來看，進程是程序的一次執(zhí)行。但是這些功能顯然不可能是由一個程序順序處理就能實現(xiàn)的。

有的進程可能需要“同時做很多事”，而傳統(tǒng)的進程只能串行地執(zhí)行一系列程序。為此，引入了線程來提高并發(fā)度。

在傳統(tǒng)中，進程是程序執(zhí)行流的最小單位，也就是說，CPU每次執(zhí)行任務，最少執(zhí)行一個進程。而后在現(xiàn)在，CPU每次執(zhí)行任務，最少執(zhí)行一個線程，線程是進程的子集。也就是說，引入線程后，線程成為了程序執(zhí)行流的最小單位。

綜上所述，我們可以把線程理解為“輕量級進程”。線程是一個基本的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單位。引入線程之后，不僅是進程之間可以并發(fā)，進程內(nèi)的各線程之間也可以并發(fā)，從而進一步提升了系統(tǒng)的并發(fā)度，使得一個進程內(nèi)也可以并發(fā)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(tǒng)資源的分配單元（如打印機、內(nèi)存地址空間等都是分配給進程的）。

2.2.1 進程的使用

如上所說，為了追求多功能的同時運行，輕量級進程顯得尤為重要，線程比進程更輕量級，它們比進程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷。

舉一個例子說明為什么線程更容易創(chuàng)建，也更容易撤銷。假如我們用電腦寫一本書，通常的做法是創(chuàng)建一個doc文件直接寫，這樣的話如果中間要查詢某個東西非常方便，你只需要用WPS自帶的查找或者Office的查找都可以完成這個工作，這就是一個進程內(nèi)含有多個線程的現(xiàn)實模型。

但是如果你采用創(chuàng)建一個文件夾，一個文件夾內(nèi)含有多個章節(jié)的文件，那么你每次要處理某個章節(jié)的一小段都需要完成打開文件，修改內(nèi)容，關閉文件等一系列操作，十分麻煩。

綜上所述，我們可以總結(jié)如下：

資源分配、調(diào)度并發(fā)性系統(tǒng)開銷

傳統(tǒng)進程機制中，進程是資源分配、調(diào)度的基本單位	傳統(tǒng)進程機制中，只能進程間并發(fā)	傳統(tǒng)的進程間并發(fā)，需要切換進程的運行環(huán)境，系統(tǒng)開銷很大。
引入線程后，進程是資源分配的基本單位，線程是調(diào)度的基本單位	引入線程后，各線程間也能并發(fā)，提高了并發(fā)度	線程間并發(fā)，如果是同一進程內(nèi)的線程切換，則不需要切換進程環(huán)境，系統(tǒng)開銷小，也就是說引入線程后，并發(fā)所帶來的系統(tǒng)開銷減小。

2.2.2 經(jīng)典的線程模型

進程模型基于兩種獨立的概念：資源分組處理和執(zhí)行。引入線程后，由于一個進程含有多個線程，所以功能的執(zhí)行依賴于線程的切換，而不必使用開銷更大的進程切換，線程的切換即涉及到線程的調(diào)度；而對于多個線程來說，其使用的是同一個資源，程序所需的資源分配的基本單位是進程而不是線程，多個線程共享同一個資源。

在每個線程中，通常帶有一個程序計數(shù)器、寄存器和堆棧指針，這和進程是十分類似的。線程給進程模型增加的內(nèi)容即同一個進程可以有多個線程，其切換我們在前面也提到過，CPU允許多線程切換納秒級完成。

和傳統(tǒng)進程一樣，線程也有進程所擁有的進程狀態(tài)。在Windows中線程的創(chuàng)建時通過調(diào)用庫函數(shù)thread_create創(chuàng)建的，調(diào)用庫函數(shù)thread_exit進行退出。

2.2.3 POSIX線程

為了實現(xiàn)可移植的線程程序，IEEE定義了線程的標準。它定義的線程包叫做pthread，大部分UNIX系統(tǒng)支持該標準。這個標準定義了超過60個函數(shù)調(diào)用。常見的幾個如下所示：

2.2.4 在用戶空間中實現(xiàn)線程

有兩種主要的方法實現(xiàn)線程包：在用戶空間中和內(nèi)核中。

第一種方法是把整個線程包放在用戶空間中，內(nèi)核對線程包一無所知。這樣的話就會出現(xiàn)一個問題，即使用戶開多條線程，內(nèi)核還是以為只有一個進程，因為它并不知道進程內(nèi)發(fā)生了啥，所以這時候就會出現(xiàn)單線程進程。即使多個線程處理機也是分配其中一個。

以上的情況比較明顯地體現(xiàn)是在Java中利用thread開啟多線程，多條線程的執(zhí)行并不是并行地，而是并發(fā)地，你可以在兩條線程中各自打印一點東西，然后同時啟動你就能了解到效果了。

在用戶空間管理線程時，每個進程需要有其專用的線程表，用拉力跟蹤該進程中的線程。這些表和內(nèi)核中的進程表類似，不過它們僅僅記錄各個線程的屬性，如每個線程的程序計數(shù)器、堆棧指針、寄存器和狀態(tài)等。

用戶級線程有一個優(yōu)點是，它允許每個進程有自己定制的調(diào)度算法，并且其具有較好的擴展性，你可以多開幾條線程，但是在內(nèi)核空間中萬一開多了線程是會出現(xiàn)問題的。

其另外一個優(yōu)點是，在用戶級線程下，線程的切換開銷小，其無需切換為核心態(tài)；如果是內(nèi)核級切換線程，需要陷入內(nèi)核，開銷較大。

有一個問題我們前面提到，如果是在用戶空間下實行多線程，那么實際上處理器的占用取決于內(nèi)核中有多少條線程。如果用戶空間里有6條線程，而內(nèi)核中只有一條線程，那么實際處理線程時，處理器只會用到一個。也就是說，如果在用戶空間下實行多線程，那么一旦有一條線程阻塞，那么其他所有線程都將阻塞。

系統(tǒng)調(diào)用實際上是可以全部改成非阻塞的，但是這需要修改操作系統(tǒng)。還有一種替代方案是某個調(diào)用如果阻塞了就提前通知，但是這個處理方法需要重寫部分系統(tǒng)調(diào)用庫，所以也不太好，但是可惜的是，沒有第三種方法了。

用戶級線程包的最后一個問題是，如果一個線程開始運行，那么在該進程中的其他線程就不能運行，除非第一個線程自動放棄CPU，這和我們前面所講的是一樣的。需要知道的是，在一個單獨的進程內(nèi)部是沒有時鐘中斷的，所以也就不可能以輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式調(diào)度線程。所以除非某個線程能夠按照自己的意志進行運行時系統(tǒng)，要不然調(diào)度程序是沒有任何機會的。

2.2.5 在內(nèi)核中實現(xiàn)線程

如圖所示，此時如果是在內(nèi)核中實現(xiàn)線程，那么不需要運行時系統(tǒng)了。內(nèi)核實現(xiàn)線程的情況下，進程表和線程表都由內(nèi)核控制。根據(jù)我們上一小節(jié)所說，內(nèi)核控制的線程可以按照線程數(shù)來分配處理器，當一個線程阻塞時，內(nèi)核會自動切換另外一個線程。

雖然使用內(nèi)核線程可以解決阻塞等諸多問題，但也不是一勞永逸，內(nèi)核級線程的管理工作由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成。線程調(diào)度、切換等工作都由內(nèi)核負責，因此內(nèi)核級線程的切換必然需要在核心態(tài)下才能完成，線程管理的成本高，開銷大。

2.2.6 混合實現(xiàn)

在前面，我們說的兩種情況如圖所示：

這兩個圖在有的書中也被叫做多對一模型和一對多模型。

但是既然這兩種模型各有各的缺點，為什么不聯(lián)合起來呢？將用戶級線程和某些內(nèi)核線程多路復用起來，這在一些書上叫做多對多模型，如圖所示：

采用這種方法的特點是：內(nèi)核還是只能識別內(nèi)核級線程，這也就導致了即使用戶級線程再多，處理器的分配數(shù)量還是依照內(nèi)核級線程來確定，但是不會再有阻塞問題，也不會再有內(nèi)核線程開多出毛病的問題。

2.2.7 調(diào)度程序激活機制

盡管內(nèi)核級線程在一些關鍵點上優(yōu)于用戶級線程，但是內(nèi)核級線程速度慢是硬傷。為了保持其優(yōu)良特性并且改進其速度，研究人員研究出了調(diào)度程序激活機制。

調(diào)度程序激活機制的本質(zhì)即：既然能在用戶空間中有這么大的便利，那我把內(nèi)核的權(quán)限給你不就行了，用戶線程如果發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)用是安全的，那么就行使內(nèi)核賦予的權(quán)限去處理即可，如果實在不能處理，再去陷入內(nèi)核交給內(nèi)核去處理。這樣的話，由于避免了在用戶空間和內(nèi)核空間之間的不必要轉(zhuǎn)換，從而提高了效率。

在2.2.4前面我們說到過，多對一模型中，由于只有一個內(nèi)核級線程，所以一旦線程堵塞就完蛋了。這時候如果堵塞，內(nèi)核就會通知該進程的運行時系統(tǒng)，并且在堆棧中以參數(shù)形式傳遞有問題的線程編號和所發(fā)生事件的一個描述。內(nèi)核通過在一個已知的其實地址啟動運行時系統(tǒng)，從而發(fā)出了通知，這種機制被叫做上行調(diào)用。一旦如此激活，運行時系統(tǒng)就重新調(diào)度其線程。

在某個用戶線程運行的同時發(fā)生一個硬件中斷時，被中斷的CPU切換進內(nèi)核態(tài)。如果該線程沒有什么大問題，在相關的事件發(fā)生后并處理完成，那么線程會通過與PCB同樣功能的TCB（線程控制塊）去重新啟動自己所在的線程。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统随笔（二）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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