操作系统-2.1-进程

Posted 2021-09-04 LL.LEBRON

文章目录

• 操作系统-2.1-进程
• • 1.进程的定义，组成，组织方式，特征
  • • 1.1进程的定义
    • 1.2进程的组成
    • 1.3进程的组织方式
    • 1.4进程的特征
    • 1.5总结
  • 2.进程的状态与转换
  • • 2.1进程的状态
    • 2.2进程状态的转换
    • 2.3总结
  • 3.进程控制
  • • 3.1什么是进程控制？
    • 3.2如何实现进程控制？
    • 3.3总结
  • 4.进程通信
  • • 4.1什么是进程通信？
    • 4.2进程通信---共享存储
    • 4.3进程通信---管道通信
    • 4.4进程通信---消息传递
    • 4.5总结
  • 5.线程概念和多线程模型
  • • 5.1什么是线程，为什么要引入线程？
    • 5.2线程的出现带来的变化
    • 5.3线程的属性
    • 5.4线程实现方式
    • 5.5多线程模型
    • 5.6总结

操作系统-2.1-进程

1.进程的定义，组成，组织方式，特征

1.1进程的定义

• 程序：就是一个指令序列。早期的计算机（只支持单道程序）。
• 程序的代码放在程序段内，程序运行过程处理的数据放在数据段内（如变量）。
• 系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置）。
• 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。注意：PCB是进程存在的唯一标志!。
• 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（强调“动态性”），它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
• 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”。

1.2进程的组成

1. 进程（进程实体）：由程序段，数据段，PCB三部分组成。

   • PCB：操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需的各种信息。

     进程的管理者（操作系统）所需的数据都在PCB中。

   • 程序段：存放要执行的代码。

   • 数据段：存放程序运行过程中处理的各种数据。（如全局变量、局部变量、宏定义的常量就存放在数据段内）。

2. PCB的组成

   1. 进程描述信息

      • 进程标识符PID
      • 用户标识符UID

      当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程(类似于身份证号)。

   2. 进程控制和管理信息

      • 进程当前状态
      • 进程优先级

   3. 资源分配清单

      • 程序段指针
      • 数据段指针
      • 键盘
      • 鼠标

   4. 处理机相关信息

      • 各种寄存器值

      当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一-句。

1.3进程的组织方式

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

进程的组织方式：

• 链接方式：按照进程状态PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针。
• 索引方式：根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针。

链接方式的图示：

索引方式的图示：

1.4进程的特征

进程的五个基本特征：

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的。（动态性是进程最基本的特征。
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。
• 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位。进程是资源分配、接受调度的基本单位。
• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题。
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成

1.5总结

2.进程的状态与转换

2.1进程的状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

1. 进程的三种基本状态

   • 运行态：占有CPU，并在CPU上运行。

     注意：单核处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行态。（双核环境下可以同时有两个进程处于运行态）。

   • 就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行。

     进程已经拥有了除处理机之外所有需要的资源，一旦获得处理机，即可立即进入运行态开始运行。

   • 阻塞态：又称等待态。因等待某一事件而暂时不能运行。

     这里的某一事件如：等待操作系统分配打印机、等待读磁盘操作的结果。CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，需要先将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务。

2. 进程的另外两种状态

   • 创建态：（新建态）进程正在被创建， 操作系统为进程分配资源，初始化PCB。
   • 终止态：（结束态）进程正从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源，撤销PCB。

2.2进程状态的转换

进程状态的状态图示：

这里注意一下几点：

1. 阻塞态→就绪态表示进程自身控制的，是一种被动行为。
2. 运行态→阻塞态是一种自身做出的主动行为。
3. 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)。

2.3总结

3.进程控制

3.1什么是进程控制？

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。
简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

3.2如何实现进程控制？

用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能–气呵成。
这种不可被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。

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。

3.3总结

4.进程通信

这节知识整体概述

• 共享存储
  • 基于数据结构的共享，
  • 基于存储区的共享。
• 消息传递
  • 直接通信方式
  • 间接通信方式
• 管道通信

4.1什么是进程通信？

1. 我们先来看一个问题，什么是进程通信？

   顾名思义，进程通信就是指进程之间的信息交换。

2. 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。

   • 共享存储
   • 消息传递
   • 管道通信

4.2进程通信—共享存储

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)。
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，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。

4.3进程通信—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。

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. 各进程要互斥地访问管道。
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. 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5. 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。

4.4进程通信—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”两个原语进程数据交换。

4.5总结

5.线程概念和多线程模型

5.1什么是线程，为什么要引入线程？

• 有的进程可能需要“同时”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。

• 传统的进程是程序执行流的最小单位。引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。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)。

5.2线程的出现带来的变化

1. 资源分配，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。

5.3线程的属性

知道一些重要的属性即可，其他的了解就行。

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。

5.4线程实现方式

1. 用户级线程

   • 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。
   • 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”。

   

3. 两种线程的组合

   • 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)。
   • 重点重点重点：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：下面这个模型中，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。

5.5多线程模型

1. 多对一模型

   • 多对一模型：多个用户级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：一个用户级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用户级线程映射到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。

5.6总结