7.2 進(jìn)程的組成

• （1）一個(gè)進(jìn)程應(yīng)該包括

  • 程序的代碼
  • 程序處理的數(shù)據(jù)
  • 程序運(yùn)行位置（程序計(jì)數(shù)器的值张峰，指示下一條將運(yùn)行的指令）
  • 一組通用寄存器的值，堆棒旗、棧
  • 一組系統(tǒng)資源喘批，如文件等撩荣。
    總之，進(jìn)程包含了正在運(yùn)行的一個(gè)程序的所有狀態(tài)信息饶深。

• （2）進(jìn)程與程序的聯(lián)系

  • 程序是產(chǎn)生進(jìn)程的基礎(chǔ)
  • 程序的每次運(yùn)行構(gòu)成不同的進(jìn)程
  • 進(jìn)程是程序功能的體現(xiàn)
  • 通過多次執(zhí)行餐曹，一個(gè)程序可對應(yīng)多個(gè)進(jìn)程；通過調(diào)用關(guān)系敌厘，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)程序台猴。

• （3）進(jìn)程與程序的區(qū)別

  • 進(jìn)程是動態(tài)的，程序是靜態(tài)的：程序是有序代碼的集合俱两；進(jìn)程是程序的執(zhí)行饱狂，進(jìn)程有核心態(tài)/用戶態(tài)
  • 進(jìn)程是暫時(shí)的，程序是永久的：進(jìn)程是一個(gè)狀態(tài)變化的過程宪彩，程序可長久保存
  • 進(jìn)程與程序的組成不同：進(jìn)程的組成包括程序休讳，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊(進(jìn)程的狀態(tài)信息

7.3 進(jìn)程的特點(diǎn)

• 動態(tài)性：可動態(tài)創(chuàng)建，結(jié)束進(jìn)程
• 并發(fā)行：進(jìn)程可被獨(dú)立調(diào)用并占用處理機(jī)運(yùn)行
• 獨(dú)立性：不同進(jìn)程的工作不互相影響
• 制約性：因訪問共享數(shù)據(jù)尿孔、資源或進(jìn)程間同步而產(chǎn)生制約

7.4進(jìn)程控制塊（PCB）

• 定義：process control block, PCB俊柔。操作系統(tǒng)管理控制進(jìn)程運(yùn)行所用的信息集合。操作系統(tǒng)用PCB來描述進(jìn)程的基本情況以及運(yùn)行變化的過程纳猫。PCB是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志婆咸。

• PCB含有以下三大類信息

  • 1. 進(jìn)程標(biāo)志信息： 如本進(jìn)程的標(biāo)識竹捉，本進(jìn)程的產(chǎn)生者標(biāo)識（父進(jìn)程標(biāo)識）芜辕；用戶標(biāo)識。
  • 2. 處理機(jī)狀態(tài)信息保存區(qū)：保存進(jìn)程的運(yùn)行現(xiàn)場信息：
    • ->用戶可見寄存器：用戶程序可以使用的數(shù)據(jù)块差，地址等寄存器
    • ->控制和狀態(tài)寄存器：如程序寄存器(PC)侵续，程序狀態(tài)字(PSW)
    • ->棧指針: 過程調(diào)用/系統(tǒng)調(diào)用/中斷處理和返回時(shí)需要用到它。
  • 3. 進(jìn)程的控制信息
    • ->調(diào)度和狀態(tài)信息：用于操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程并占用處理機(jī)使用憨闰；
    • ->進(jìn)程間通信信息：為支持進(jìn)程間的與通信相關(guān)的各種標(biāo)識状蜗，信號，信件等鹉动，這些信息存在接收方的PCB中轧坎；
    • ->存儲管理信息：包含有指向本進(jìn)程映像存儲空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
      進(jìn)程所用資源：說明由進(jìn)程打開泽示，使用的系統(tǒng)資源缸血，如打開的文件等；
    • ->有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等連接信息：進(jìn)程可以連接到一個(gè)進(jìn)程隊(duì)列中械筛，或連接到相關(guān)的其它進(jìn)程的PCB捎泻。

• PCB的組織方式：

  • 鏈表: 統(tǒng)一狀態(tài)的進(jìn)程其PCB成一臉表，多個(gè)狀態(tài)對應(yīng)多個(gè)不同的鏈表埋哟，各狀態(tài)的進(jìn)程形成不同的鏈表笆豁，例如就緒鏈表和阻塞鏈表
  • 索引表：同一狀態(tài)的進(jìn)程歸入一個(gè)index表(由index指向PCB)，多個(gè)狀態(tài)對應(yīng)多個(gè)不同的index，各狀態(tài)的進(jìn)程形成不同的索引表闯狱，例如就緒索引表煞赢，阻塞索引表。

7.5 進(jìn)程的生命周期管理

全周期：進(jìn)程創(chuàng)建-進(jìn)程運(yùn)行-進(jìn)程等待-進(jìn)程喚醒-進(jìn)程結(jié)束

• 進(jìn)程創(chuàng)建：引起進(jìn)程創(chuàng)建的三個(gè)主要事件：（1）系統(tǒng)初始化哄孤；（2）用戶請求創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程耕驰；（3）正在運(yùn)行的進(jìn)程執(zhí)行了創(chuàng)建進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用
• 進(jìn)程等待（阻塞） ：以下情況下，進(jìn)程等待：（1）請求并等待系統(tǒng)服務(wù)录豺，無法馬上完成朦肘；（2）啟動某種操作，無法馬上完成双饥；（3）需要的數(shù)據(jù)沒有到達(dá)媒抠。（進(jìn)程只能自己阻塞自己）
• 進(jìn)程喚醒：喚醒進(jìn)程的原因如下：（1）被阻塞進(jìn)程需要的資源可被滿足；（2）被阻塞進(jìn)程等待的事件到達(dá)咏花；（3）將該進(jìn)程的PCB插入到就緒隊(duì)列中趴生。（進(jìn)程只能被別的進(jìn)程或操作系統(tǒng)完成）
• 進(jìn)程結(jié)束：（1）正常退出（自愿性）；（2）錯(cuò)誤導(dǎo)致（自愿性）昏翰；（3）致命錯(cuò)誤（強(qiáng)制性）苍匆；（4）被其他進(jìn)程所殺（強(qiáng)制性）

7.6 進(jìn)程的狀態(tài)變化模型

進(jìn)程的三種基本狀態(tài)：

• ->創(chuàng)建狀態(tài)(new)，一個(gè)進(jìn)程正在被創(chuàng)建棚菊，還沒被轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)之前的狀態(tài)浸踩。
• ->運(yùn)行狀態(tài)(running)：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在處理機(jī)上運(yùn)行時(shí)；
• ->就緒狀態(tài)(ready)：一個(gè)進(jìn)程獲得了除處理機(jī)之外的一切所需資源统求，一旦得到處理機(jī)即可運(yùn)行检碗；
• ->等待狀態(tài)(或阻塞狀態(tài)blocked)：一個(gè)進(jìn)程正在等待某一事件而暫停運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，如等待資源码邻，等待I/O完成折剃。
• ->結(jié)束狀態(tài)(exit)，一個(gè)進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失時(shí)的狀態(tài)像屋，這是因?yàn)檫M(jìn)程結(jié)束或由于其它原因所導(dǎo)致怕犁。

進(jìn)程狀態(tài)變化模型.png

7.7 進(jìn)程掛起suspend

• 概念：進(jìn)程掛起是一種合理且充分地利用系統(tǒng)資源的方式。掛起時(shí)己莺，進(jìn)程沒有占用內(nèi)存空間奏甫，處于掛起狀態(tài)的進(jìn)程映像在磁盤上。掛起就是把一個(gè)進(jìn)程從內(nèi)存轉(zhuǎn)到外存篇恒。掛起的兩種狀態(tài)：（1）阻塞掛起狀態(tài)(blocked-suspend): 進(jìn)程在外存并等待某事件的出現(xiàn)扶檐。（2）就緒掛起狀態(tài)(ready-suspend): 進(jìn)程在外存涌韩，但只要進(jìn)入內(nèi)存羡鸥，即可運(yùn)行察蹲。
• 掛起/解掛狀態(tài)變化
  • 阻塞->阻塞掛起：沒有進(jìn)程處于就緒狀態(tài)；或者就緒進(jìn)程需要更多的內(nèi)存資源堕油；
  • 就緒->就緒掛起：當(dāng) 高優(yōu)先級阻塞(系統(tǒng)認(rèn)為會很快就緒的)進(jìn)程 和 低優(yōu)先級就緒進(jìn)程 沖突時(shí)尼荆，系統(tǒng)會掛起低優(yōu)先級就緒進(jìn)程砚蓬；
  • 運(yùn)行->就緒掛起：對于搶先式分時(shí)系統(tǒng)圣勒，當(dāng)有高優(yōu)先級阻塞掛起進(jìn)程 因?yàn)槭录兂?就緒掛起 時(shí)，系統(tǒng)可能會把正在運(yùn)行的進(jìn)程轉(zhuǎn)到就緒掛起狀態(tài)攘须。
  • 阻塞掛起->就緒掛起：當(dāng)阻塞掛起的進(jìn)程因?yàn)橄嚓P(guān)事件出現(xiàn)時(shí)漆撞，系統(tǒng)會 阻塞掛起進(jìn)程轉(zhuǎn)化為就緒掛起狀態(tài)。
  • 就緒掛起->就緒：現(xiàn)在沒有就緒進(jìn)程于宙；當(dāng)前的就緒掛起進(jìn)程的優(yōu)先級高于就緒進(jìn)程浮驳；
  • 阻塞掛起->阻塞：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程釋放足夠的內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會把一個(gè)高優(yōu)先級的阻塞掛起進(jìn)程(系統(tǒng)認(rèn)為會很快出現(xiàn)所等待的事件發(fā)生) 轉(zhuǎn)為阻塞進(jìn)程捞魁。
• 狀態(tài)隊(duì)列
  • 狀態(tài)隊(duì)列是由操作系統(tǒng)來維護(hù)的一組隊(duì)列至会，用來表示系統(tǒng)當(dāng)中所有進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)；
  • 不同的狀態(tài)分別用不同的隊(duì)列來表示(就緒隊(duì)列谱俭，各種類型的阻塞隊(duì)列等)奉件；
  • 每個(gè)進(jìn)程的PCB都根據(jù)它的狀態(tài)加入到相應(yīng)的隊(duì)列當(dāng)中，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)昆著，它的PCB從一個(gè)狀態(tài)隊(duì)列中脫離县貌，加入到另一個(gè)狀態(tài)隊(duì)列里。

7.8 線程

• 提出背景：需要新的實(shí)體凑懂，有以下特性：（1）實(shí)體間能夠并發(fā)地執(zhí)行煤痕；（2）實(shí)體之間共享相同的地址空間
• 重新理解線程：進(jìn)程 = 資源管理+線程
  
  線程所需資源.png
• 線程優(yōu)點(diǎn)：
  （1）一個(gè)進(jìn)程中可以同時(shí)存在多個(gè)線程；
  （2）各個(gè)線程之間可以并發(fā)的執(zhí)行征候；
  （3）各個(gè)線程之間可以共享地址空間和文件等資源杭攻。
• 線程缺點(diǎn)：
  一個(gè)線程崩潰祟敛，該進(jìn)程的所有線程崩潰疤坝。
• 線程與進(jìn)程比較：
  （1）進(jìn)程是資源分配的單位，線程是CPU調(diào)度單位馆铁；
  （2）進(jìn)程擁有完整的資源平臺跑揉，而線程只占有必須的資源，如寄存器埠巨，棧历谍。
  （3）線程同樣由就緒，阻塞辣垒，執(zhí)行三種基本狀態(tài)望侈，同樣具有狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
  （4）線程能減少并發(fā)執(zhí)行的時(shí)間和空間開銷：(線程的創(chuàng)建時(shí)間/終止時(shí)間/(同一進(jìn)程內(nèi))切換時(shí)間更醒啊脱衙；同一進(jìn)程內(nèi)各線程共享內(nèi)存和文件資源侥猬，可直接進(jìn)行不通過內(nèi)核的通信)。

7.10 線程的實(shí)現(xiàn)

有三種線程實(shí)現(xiàn)的方法
用戶線程：在用戶空間實(shí)現(xiàn)捐韩，例如POSIX Pthreads, Mach C-threads, Solaris threads退唠。
內(nèi)核線程：在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，例如Windows, Solaris, Linux荤胁。
輕量級線程：在內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)瞧预，支持用戶線程，例如Solaris

用戶線程：

在用戶空間實(shí)現(xiàn)的線程機(jī)制仅政，不依賴于操作系統(tǒng)的內(nèi)核垢油；由一組用戶級的線程庫來完成線程的管理，包括創(chuàng)建/終止/同步/調(diào)度圆丹；

用戶線程.png

• 優(yōu)點(diǎn)：
  （1）不需要操作系統(tǒng)內(nèi)核了解用戶線程的存在秸苗，可用于不支持線程技術(shù)的多進(jìn)程操作系統(tǒng)；
  （2）每個(gè)進(jìn)程都需要它私有的線程控制塊TCB列表运褪，來跟蹤記錄它各個(gè)線程的狀態(tài)信息(PC/棧指針/寄存器),TCB由線程庫函數(shù)來維護(hù)惊楼；
  （3）用戶線程的切換由線程庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，無需用戶態(tài)/核心態(tài)切換秸讹，所以速度快檀咙；
  （4）允許每個(gè)進(jìn)程有自定義的線程調(diào)度算法。
• 缺點(diǎn)：
  （1）如果一個(gè)線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而阻塞璃诀，則整個(gè)進(jìn)程都在等待弧可；
  （2）如果一個(gè)線程開始運(yùn)行，除非它主動交出CPU劣欢，否則該線程所在進(jìn)程的其它線程都無法運(yùn)行棕诵；
  （3）由于時(shí)間片分配給的是進(jìn)程，所以與其它進(jìn)程相比凿将，在多線程執(zhí)行時(shí)校套，每個(gè)線程得到的時(shí)間片較少，執(zhí)行會較慢牧抵。

內(nèi)核線程：

是指在操作系統(tǒng)的內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)的一種線程機(jī)制笛匙，由操作系統(tǒng)的內(nèi)核來完成線程的創(chuàng)建，終止和管理犀变。

內(nèi)核線程.png

• 由內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程和上下文信息妹孙，也就是進(jìn)程/線程控制塊PCB/TCB；
• 線程的創(chuàng)建/終止/切換都是通過系統(tǒng)調(diào)用或內(nèi)核函數(shù)來實(shí)現(xiàn)(內(nèi)核實(shí)現(xiàn))获枝，所以系統(tǒng)開銷大蠢正；
• 在一個(gè)進(jìn)程中，如果某個(gè)內(nèi)核線程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用而阻塞省店，不會影響其它內(nèi)核線程的運(yùn)行嚣崭；
• 時(shí)間片分配給線程蜘拉，多線程的進(jìn)程能獲得更多的CPU時(shí)間；
• Windows NT/2000/XP 支持內(nèi)核線程有鹿。

輕量級進(jìn)程

他是內(nèi)核支持的用戶線程旭旭。一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或多個(gè)輕量級進(jìn)程，每個(gè)輕量級進(jìn)程由一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)核線程來支持(Solaris/Linux)

輕量級進(jìn)程.png

7.11 上下文切換

• 概念：停止當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程(從運(yùn)行態(tài)改變成其它狀態(tài))葱跋，并且調(diào)度其它進(jìn)程(轉(zhuǎn)變成運(yùn)行態(tài))持寄。
• 要求：
  （1）->必須在切換之前儲存許多部分的進(jìn)程上下文；
  （2）->必須能夠在之后恢復(fù)他們娱俺，所以進(jìn)程不能顯示它曾經(jīng)被暫停過稍味；
  （3）->必須快速(因?yàn)樯舷挛那袚Q非常頻繁)。
• 上下文切換需要儲存的內(nèi)容：
  （1）->例如寄存器(PC/SP/…)荠卷，CPU狀態(tài)模庐，…
  （2）->一些時(shí)候可能會費(fèi)時(shí)，所以需要盡量避免油宜。

參考資料

原視頻課程
其他課程筆記