OS学习笔记二: 进程线程模型

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了OS学习笔记二: 进程线程模型相关的知识,希望对你有一定的参考价值。


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

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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

OS学习笔记二:

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?

OS学习笔记二:

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)

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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

OS学习笔记二:

  • 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

OS学习笔记二:

  • 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

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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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