进程和线程

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Computer Science

发布于：2019年3月31日
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第一部分：进程

1. 进程的概念

进程：指一个具有一定独立功能的程序，在一个数据集合上的一次动态执行过程。

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进程的组成：

一个程序运行的所有状态信息。

  1. 代码
  2. 数据
  3. 状态寄存器
  4. 通用寄存器
  5. 进程占用系统资源

进程的特点：

  1. 动态性
  2. 并发性
  3. 独立性
  4. 制约性

进程和程序的联系

  1. 进程市操作系统处于执行状态程序的抽象
    1. 程序 = 文件（静态的可执行文件）
    2. 进程 = 执行中的程序 = 程序 + 状态
  2. 同一个程序的多次执行对应不同的进程
  3. 进程执行的需要资源
    1. 内存
    2. cpu

进程和程序的区别：

  1. 进程是动态的，程序是静态的
    1. 程序是有序代码的集合
    2. 进程是程序的执行，进程有核心态/用户态
  2. 进程是暂时的，程序是永久的
    1. 进程是一个状态变化的过程
    2. 程序可长久保存
  3. 进程与程序的组成不同
    1. 进程的租车包括程序、数据和进程控制块

2. 进程控制块 PCB，Process Control Block

操作系统管理控制进程运行所用的信息集合

  1. 操作系统用PCB来描述进程的基本情况以及运行变化的过程
  2. PCB是进程存在的唯一标志
    1. 每个进程都在操作系统中有一个对应的PCB

进程控制块的使用

进程-创建，终止，组织管理

进程控制块的内容：

  1. 进程标识信息
  2. 处理机现场保存
  3. 进程控制信息
    1. 调度和状态信息
    2. 进程间的通信信息
    3. 存储管理信息
    4. 进程所用资源
    5. 有关数据结构连接信息

进程控制块的组织：

  1. 链表： 同一状态的进程其PCB成一链表，多个状态对应多个链表
  2. 索引表：统一状态归入一个索引表，由索引指向PCB

3. 进程状态

进程的生命周期划分：

  1. 创建
  2. 执行
  3. 等待
  4. 抢占
  5. 唤醒
  6. 结束

3.1 进程创建

  1. 系统初始化
  2. 用户请求创建一个新进程
  3. 正在运行的进程执行了创建进程的系统调用

-> 进入就绪状态

3.2 进程执行

  1. 内核选择一个就绪的进程，让它占用处理机并执行
    如何选择？ ——> 处理机的调度算法

3.3 进程等待

  1. 请求并等待系统服务，无法马上完成
  2. 启动某种操作，无法马上完成
  3. 需要的数据没有到达

3.4 进程抢占

  1. 高优先级进程就绪
  2. 进程执行当前时间用完

3.5 进程唤醒

  1. 被阻塞进程的资源满足
  2. 被阻塞进程等待的事件到达

进程只能被别的进程或操作系统唤醒

3.6 进程结束

自愿：

  1. 正常退出
  2. 错误退出

强制性的：

  1. 致命错误
  2. 被其他进程所杀

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进程切换

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4. 三状态进程模型

就绪 - 运行 - 等待

这三种是基本状态

Ready - Running - Block

创建：new
退出：Exit

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5. 挂起进程模型

前面的部分都是和cpu相关的状态

还有一类进程模型是和存储相关的

进程挂起：处于挂起状态的进程映像在磁盘上，目的是减少进程占用内存

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多加了2种状态，是指在外存中的进程状态

挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存

内存到外存的变迁情况：

  1. 等待 - 等待挂起
  2. 就绪 - 就绪挂起
  3. 运行 - 就绪挂起 （抢先分时系统的情况）

状态队列

由操作系统来维护一组队列，表示系统中所以进程的当前状态

不同队列表示不同状态

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第二部分：线程

6. 线程的概念

为什么要引入线程？

在一个进程内部进一步提高并发性。

多进程实现 - 存在的问题：

  1. 进程之间如何通信，共享数据？
  2. 系统开销大，创建进程，进程结束，进程切换

如果放到一个进程内部，就会方便得多！

多进程得解决思路：

在进程内部增加一类实体，满足以下特性：

  1. 实体之间可以并发执行
  2. 实体之间共享相同的地址空间

这种实体就是线程！

线程：是进程的一部分，描述指令流的执行状态。它是进程中的指令执行流的最小单元，是CPU调度的基本单位。

进程：资源分配角色（由一组相关资源构成，包括地址空间，代码段，数据段，打开的资源等）
线程：处理机调度角色（指令流执行状态，线程控制块 TCB ）

进程和线程的关系：

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线程 = 进程 - 共享资源

线程的优点：

  1. 一个进程中可以同时存在多个线程
  2. 各个线程之间可以并发地执行
  3. 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

缺点：

一个线程崩溃，会导致其所属进程的所有线程都崩溃

历史上：

单进程系统：MS-DOS
多进程系统：传统UNIX

单进程多线程：pSOS（对并发执行要求高，信息共享要求高，对安全隔离要求低）
多线程系统：现代UNIX

线程与进程的比较

  1. 进程是资源分配的单位，线程是cpu调度单位
  2. 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享指令流执行的必要资源，如寄存器和栈
  3. 线程具有就绪、等待和运行三种基本状态今儿状态间的转换关系
  4. 线程能减少并发执行的时间和空间开销

线程的三种实现方式：

  1. 用户线程：在用户空间实现

    如：POSIX Pthreads等

  2. 内核线程：在内核中实现：

    如：Windows, Solaris, Linux

  3. 轻量级进程：在内核中实现，支持用户线程

    如：Solaris (LightWeight Process)

7. 用户线程

由一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括创建，终止，同步和调度

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特征：

  1. 不依赖操作系统内核
  2. 在用户态实现线程
  3. 同一进程内用户线程切换速度快
  4. 允许每个进程拥有自己的调度算法

缺点：

  1. 线程发起系统调用时阻塞，则整个进程进入等待。
  2. 不支持基于线程的处理机抢占
  3. 只能按进程分配cpu时间

8. 内核线程

由内核通过系统调用实现的线程机制，由内核完成线程的创建，终止和管理

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特征：

  1. 由内核维护 PCB 和 TCB
  2. 线程执行系统调用时被阻塞不影响其他线程
  3. 线程的开销较用户线程稍大
  4. 多线程的进程可获得更多cpu时间

轻权进程

内核支持的用户线程。一个进程可有一个或多个轻量级进程。每个轻权进程由一个单独的内核线程来支持。（Solaris/Linux）

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但是，实际中这种方式并不理想。

用户线程与内核线程的对应关系

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实际中，一对一的对应关系是最好的。

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更新于：2020年9月13日

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