OS学习笔记二： 进程线程模型

Posted 2022-07-26 jiankunking

一、进程基本概念

1、并发环境与并发程序

• 并发环境：一段时间 间隔 内，单处理器上有两个或两个以上的程序 同时 处于开始运行但尚未结束的状态 ，并且 次序不是事先确定的
• 并发程序：在并发环境中执行的程序

2、进程的定义

定义：Process（对CPU 的抽象） 进程是具有独立功能的程序关于 某个数据集合上 的一次运行活动 ，是系统进行 资源分配和 调度 的独立单位又称 任务（Task or Job ）

• 程序的一次执行过程
• 是正在运行程序的抽象
• 将一个 CPU 变幻成多个虚拟的 CPU
• 系统资源以进程为单位分配，如内存、文件、 ……每个具有独立的地址空间
• 操作系统将 CPU 调度

3、进程控制块 PCB

• PCB ：Process Control Block

• 又称 进程描述符、进程属性
• 操作系统用于管理控制进程的一个专门数据结构
• 记录进程的各种属性，描述进程的动态变化过程

• PCB 是系统感知进程存在的唯一标志

• 进程与PCB 是一一对应的

• 进程 表：所有进程的PCB

4、进程描述信息

• 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数
• 进程名，通常基于可执行文件名，不唯一
• 用户标识符(user ID)
• 进程组关系

5、进程控制信息

• 当前状态
• 优先级(priority)
• 代码执行入口地址
• 程序的磁盘地址
• 运行统计信息(执行时间、页面调度)
• 进程间同步和通信
• 进程的队列指针
• 进程的消息队列指针

6、所拥有的资源和使用情况

• 虚拟地址空间的状况
• 打开文件列表

7、CPU 现场信息

• 寄存器值(通用寄存器、程序计数器PC、程序状态字PSW、栈指针)
• 指向该进程页表的指针

二、进程状态及状态转换

1、七状态进程模型

2、进程队列

• 操作系统为每一类进程建立一个或多个队列
• 队列元素为PCB
• 伴随进程状态的改变，其PCB 从一个队列进入另一个队列

多个等待队列等待的事件不同

就绪队列也可以多个

单CPU 情况下，运行队列中只有一个进程

三、进程控制

1、进程控制

进程控制操作完成进程各状态之间的转换，由具有特定功能的 原语 完成

• 进程创建原语
• 进程撤消原语
• 阻塞原语
• 唤醒原语
• 挂起原语
• 激活原语
• 改变进程优先级
• ……

原语（primitive）完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性或不可中断性
即 原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断

2、进程的创建

• 给新进程分配一个唯一标识以及进程控制块
• 为进程分配地址空间
• 初始化进程控制块
  设置默认值 ( 如: 状态为 New ，…)
• 设置相应的队列指针
  如: 把新进程加到就绪队列链表中

UNIX：fork/exec

WINDOWS：CreateProcess

3、进程的撤销

结束进程

• 收回进程所占有的资源
• 关闭打开的文件、断开网络连接、 回收 分配的内存、……
• 撤消该进程的PCB

UNIX：exit

WINDOWS：TerminateProcess

4、进程阻塞

处于运行状态的进程，在其运行过程中期待某一事件发生，如 等待键盘输入、等待磁盘数据传输完成、等待其它进程发送消息 ，当被等待的事件未发生时，由 进程自己执行阻塞原语 ，使自己由运行态变为阻塞态。

UNIX：wait

WINDOWS：WaitForSingleObject

5、UNIX的几个进程控制操作

• fork() 通过 复制调用进程 来建立新的进程，是最基本的进程建立过程
• exec() 包括一系列系统调用，它们都是通过用一段新的程序代码覆盖原来的地址空间，实现进程 执行代码的转换
• wait() 提供初级进程同步 操作 ，能使一个进程等待另外一个进程的结束
• exit() 用来终止一个进程的运行

6、UNIX的fork实现

• 为子进程分配一个空闲 的进程 描述符
  proc 结构
• 分配给子进程唯一标识 pid
• 以一次一页的方式复制父进程地址空间（Linux 采用了写时
  复制技术COW 加快创建进程Copy-On-Write，即创建时将父进程把地址空间的指针传递给子进程，再把地址空间设置为只读，当子进程想往地址空间写东西的时候，操作系统再为子进程开辟一块空间把相应的内容放进去）
• 从父进程处继承共享资源，如打开的文件和当前工作目录 等
• 将子进程的状态设为就绪，插入到就绪队列
• 对子进程返回标识符 0
• 向父进程返回子进程的 pid

示意代码：

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main( int argc, char *argv[] )

    pid_t pid;
    pid = fork();           /*  创建一个子进程 */
    if ( pid < 0 )          /*  出错 */
    
        fprintf( stderr, “ fork failed ” );
        exit( -1 );
    else if ( pid == 0 )   /*  子 进程 */
    
        execlp( “ / bin / ls ”, “ ls ”, NULL );
    else                                  /*  父进程 */
        wait( NULL );   /*  父 进程等待子进程结束 */
        printf( “ child complete ” );
        exit( 0

四、深入理解进程概念

1、进程层次结构

UNIX 进程 家族 树 ：init 为根

Windows：地位相同

2、进程与程序的区别

• 进程更 能准确刻画并发，而程序不能
• 程序 是静态的，进程是动态的
• 进程有 生命周期的， 有诞生有消亡 ，是短暂 的；而程序是相对长久的
• 一个程序可对应多个进程
• 进程具有创建其他进程的 功能

3、进程的地址空间

操作系统给每个进程都分配了一个地址空间

int myval;
int main( int argc, char *argv[] )

    myval = atoi( argv[1] );
    while ( 1 )
        printf( “ myval is % d, loc 0x % lx \\ n ”,
            myval, (long) &myval );

同时 运行两个 Myval 程序，会输出什么？

输出的地址是相对地址 或者说是逻辑地址或者虚拟地址，所以才会出现变量不同，但地址相同的情况（因为两次运行是在不同的进程中的）。

4、上下文（CONTEXT）切换

• 将CPU 硬件状态从一个进程换到另一个进程的过程称为 上下文 切换
• 进程 运行时 ，其硬件状态保存在CPU 上 的寄存器中

• 寄存器：程序计数器、程序状态寄存器、栈指针、通用寄存器、其他控制寄存器的值

• 进程不运行时，这些寄存器的值保存在进程控制块

• PCB 中； 当操作系统要 运行一个新的进程时，将PCB 中 的相关值 送到对应的寄存器 中

五、线程的引入

1、线程的开销小

• 创建 一个新线程花费时间少（撤销亦如此）
• 两 个 线程切换 花费时间少
• 线程 之间相互通信无须调用内核（同一进程内的线程共享内存和文件）

2、线程的属性

• 有标示符ID
• 有状态及状态转换 → 需要提供一些操作
• 不运行时需要保存的上下文
  有上下文环境：程序计数器等寄存器
• 有自己的栈和栈指针 √
• 共享所在进程的地址空间和其他资源
• 可以创建、撤消另一个线程

• 程序开始是以一个单线程进程方式运行的

六、线程的实现机制

1、用户级线程

• 在用户空间建立 线程库：提供一组管理线程的过程
• 运行时系统：完成线程的 管理工作（操作、线程表）
• 内核管理的还是进程，不知道 线程的存在
• 线程 切换不 需要内核态特权
• 例子：UNIX

用户级线程小结：

• 优点：

• 线程切换快
• 调度算法是应用程序特定的
• 用户级线程可运行在任何操作系统上（只需要实现线程库）

• 缺点：

• 内核只将处理器分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上
• 大多数系统调用是阻塞的，因此，由于内核阻塞进程，故进程中所有线程也被阻塞

2、 核心级线程

• 内核管理所有线程管理，并向应用程序提供API接口
• 内核维护进程和线程的上下文
• 线程的切换需要内核支持
• 以线程为基础进行调度
• 例子：Windows

3、混合模型

• 线程创建在用户空间完成
• 线程调度等在核心态完成
• 例子：Solaris

4、可再入程序（可重入）

可被多个进程同时调用的程序，具有下列性质：
1、它是纯代码的，即在执行过程中自身不改变；
2、调用它的进程应该提供数据区

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