操作系统笔记 --第二章 进程管理(1)

王道计算机考研 操作系统 —— 课程链接

2.1 进程与线程

2.1.1 进程的概念、组成、特征

进程的定义

程序：一个指令序列
程序和进程的区别:
程序（code）：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合
进程（Process）：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

从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较传统典型的定义有:

1. 进程是程序的一次执行过程。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

PCB(进程控制块) 进程控制块记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况，以及控制进程运行的全部信息。操作系统是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。

引入进程实体的概念后，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：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过，除非题目专门考察二者区别，否则可以认为进程实体就是进程。因此我们也可以说，进程由程序段、数据段、PCB三部分组成
注意：PCB是进程存在的唯一标志!

进程的组成

程序段、数据段、PCB 三部分组成了进程实体（进程映像）
引入进程实体的概念后，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。
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。

进程管理相关的数据存放在PCB中
程序本身运行所需的数据存放在程序段\数据段 中
PCB 是给操作系统用的。
程序段、数据段是给进程自己用的

进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。
注：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

进程的特征

2.1.2 进程的状态

进程的状态

三种基本状态：

1. 运行状态（Running）：占CPU，并在CPU上运行
   注意：在单核处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行态
2. 就绪状态（Ready）：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
   就绪状态下，进程已经拥有了除CPU之外所有需要的资源，一旦获得处理机，即可进入运行态开始运行（万事俱备，只欠CPU）
3. 阻塞状态/等待态（Waiting/Blocked）：因等待某一事件而暂时不能运行
   如：等待操作系统分配打印机、等待读磁盘操作结果、等待另一个进程的运算结果。CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU利用效率，需要将进程需要的其他资源分配到位，才能得到CPU的服务。

另外两种状态：
创建状态（New）：进程正在被创建，操作系统为进程分配内存空间等系统资源、创建并初始化PCB。
终止状态（Terminated）：进程运行结束，或由于bug导致进程无法继续执行（如数组越界），需要从系统中撤销进程，操作系统会回收被分配给进程的资源、撤销PCB。

进程状态间的转换

就绪态→运行态：进程被调度
运行态→ 就绪态：时间片到、或处理机被强占
运行态→阻塞态：进程用“系统调用”的方式申请某种系统资源，或者请求等待某个事件发生（进程自身的主动行为 , 如请求等待另一个进程的运算结果）
阻塞态 → 就绪态：申请的资源被分配，或者等待的事件发生（不是进程自身能控制的，是一种被动行为)
注意:不能由阻塞态直接转换为运行态,也不能由就绪态直接转换为阻塞态〈因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求)

《现代操作系统》上的进程状态转换图:

2.1.3 进程控制

什么是进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的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
即：实现进程状态间转换的具体过程

如何让实现进程控制

用“原语”实现
原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序执行期间不可中断，必须一气呵成。这种不可中断的操作即原子操作。
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现

原语运行在核心态，显然，关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令
原语属于操作系统内核的一部分(见1.1.4 操作系统运行机制和体系结构)

进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情:
1．更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境c.某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
2.将PCB插入合适的队列
3．分配/回收资源

进程的创建：创建原语

创建原语：无→创建态→就绪态

1. 申请空白PCB
2. 为新进程分配所需资源
3. 初始化PCB
4. 将PCB插入就绪队列

引起进程创建的事件

1. 用户登录，分时系统中，用户登录成功，系统会建立为其建立一个新的进程
2. 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
3. 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
4. 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：撤消原语

撤销原语：就绪态/阻塞态/运行态→终止态→无

1. 从PCB集合中找到终止进程的PCB
2. 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
3. 终止其所有子进程
4. 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
5. 删除PCB

引起进程终止的事件：
6. 正常结束
7. 异常结束
8. 外界干预

进程的阻塞与唤醒：阻塞原语和唤醒原语

阻塞原语：运行态→阻塞态

1. 找到要阻塞的进程对应的PCB
2. 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态"，暂时停止进程运行
3. 将PCB插入相应事件的等待队列

引起进程阻塞的事件

1. 需要等待系统分配某种资源
2. 需要等待相互合作的其他进程完成工作

**唤醒原语：**阻塞态→就绪态

1. 在事件等待队列中找到PCB
2. 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
3. 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

注意：进程由于何事阻塞，就应由于何事唤醒，因此阻塞原语和唤醒原语必须成对使用

进程的切换: 切换原语

切换原语:运行态→阻塞态/就绪态, 就绪态→运行态

1. 将运行环境信息存入PCB
2. PCB移入相应队列
3. 选择另一个进程执行，并更新其PCB
4. 根据PCB恢复新进程所需的运行环境

引起进程切换的事件

1. 当前进程时间片到
2. 有更高优先级的进程到达
3. 当前进程主动阻塞
4. 当前进程终止

2.1.4 进程通信

进程通信的概念和作用

进程通信 就是指进程之间的信息交换。
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。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法, 操作系统提供的进程通信方式分为共享存储, 消息传递, 管道通信

共享存储

两个进程不能直接访问对方的地址空间, 所以操作系统会为两个进程分配一个共享空间, 两个进程的通信就可以通过共享空间来实现

注意:

1. 两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，互斥访问通过操作系统提供的工具实现
2. 操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P、V操作）

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(对于数据格式有限制)，是一种低级通信方式
基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息(Message）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

消息由消息头和消息体组成,
消息头包括：发送进程ID、接受进程ID、消息类型、消息长度等格式化的信息（计算机网络中发送的“报文”其实就是一种格式化的消息）

消息传递分为两种:

1. 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上

2. 间接通信方式：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称“信箱通信方式”。Eg:计网中的电子邮件系统
   
   

管道通信

管道 是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区

注意:

1. 管道只能采用半双工通信(某一时间段内只能实现单向的传输)。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。

2. 各个进程要互斥的访问管道。

3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。

4. 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。
   

2.1.5 线程概念和多线程模型

线程的概念和作用

1. 什么是线程，为什么要引入线程?
   还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。
   引入进程后，进程是程序的一次执行。实际情况中， 一些功能显然需要用不同的几段程序才能实现，如用QQ同时进行视频、文字聊天和传送文件，并且这几段程序还要并发运行。
   有的进程可能需要“同时”（宏观上）做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了“线程”，来增加并发度，一个进程可以包含多个并发的线程。
   
   引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。进程依然是资源分配的基本单位。从属于同一进程的各个线程共享进程的资源。
   可以把线程理解为“轻量级进程”。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。

引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件)
引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。

2. 引入线程机制后，有什么变化?
   ① 　资源的分配、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
   ②　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
   ③　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

1. 线程是处理机调度的单位
2. 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
3. 每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB)
4. 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
5. 线程几乎不拥有系统资源
6. 同一进程的不同线程间共享进程的资源
7. 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
8. 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
9. 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
10. 切换同进程内的线程，系统开销很小
11. 切换进程，系统开销较大

线程的实现方式

1. 用户级线程 (User-Level Thread, ULT)
   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(无需切换到核心态)。
   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。用户级线程对用户不透明，对操作系统透明
   可以这样理解，“用户级线程”就是 “从用户视角看能看到的线程”
   

2. 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。
   可以这样理解，“内核级线程”就是 “从操作系统内核视角看能看到的线程”
   

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n个用户级线程映射到m
个内核级线程上（ n >= m）
注意: 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。
例如：左边这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行

多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。
多线程模型：用户n >= 核心m

1. 多对一模型

多对一模型:多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。
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行运行

2. 一对一模型

一对一模型:一个用户及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级线程，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。

3. 多对多模型

多对多模型:n用户及线程映射到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。