7.1 进程的定义

进程(process)描述

进程状态(state)

线程(thread)

进程间通信(inter-process communication)

进程互斥与同步

死锁(deadlock)

(1)进程的定义

一个具有独立功能的程序在一一个数据集合上的一次动态执行过程.

7.2 进程的组成

(1)一个进程应该包括

程序的代码

-程序处理的数据

-程序计数器的值，指示下一条将运行的指令

-一组通用的寄存器的当前值，堆，栈

-一组系统资源(如打开的文件)

总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息。

(2)进程与程序的联系

程序是产生进程的基础

-程序的每次运行构成不同的进程

-进程是程序功能的体现

-通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。

(3)进程与程序的区别

进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合；进程是程序的执行，进程有核心态/用户态

-进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存

-进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序，数据和进程控制块(进程的状态信息)

7.3 进程的特点

动态性:可动态地创建，结束进程

并发性:进程可以被独立调度并占用处理机运行

独立性:不同进程的工作不互相影响

制约性:因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约

程序 = 算法 + 数据结构

进程控制块(process control block, PCB): 描述进程的数据结构，操作系统管理控制进程运行所用的信息集合。

操作系统为每个进程都维护了一个PCB，用来保存与该进程有关的各种状态信息，PCB是进程存在的唯一标志。

7.4 进程控制块PCB结构

PCB包含下列三大信息

(1)进程标识信息。

如本进程的标识，本进程的产生者标识(父进程标识)；用户标识

(2)处理机状态信息保存区，保存进程的运行现场信息

->用户可见寄存器，用户程序可以使用的数据，地址等寄存器

->控制和状态寄存器，如程序寄存器(PC)，程序状态字(PSW)

->栈指针，过程调用/系统调用/中断处理和返回时需要用到它。

(3)进程的控制信息

调度和状态信息：用于操作系统调度进程并占用处理机使用；

进程间通信信息：为支持进程间的与通信相关的各种标识，信号，信件等，这些信息存在接收方的PCB中；

存储管理信息：包含有指向本进程映像存储空间的数据结构；

进程所用资源：说明由进程打开，使用的系统资源，如打开的文件等；

有关数据结构等连接信息：进程可以连接到一个进程队列中，或连接到相关的其它进程的PCB。

(4)PCB的组织方式

链表：统一状态的进程其PCB成一脸表，多个状态对应多个不同的链表，各状态的进程形成不同的链表，例如就绪链表和阻塞链表

索引表：同一状态的进程归入一个index表(由index指向PCB)，多个状态对应多个不同的index，各状态的进程形成不同的索引表，例如就绪索引表，阻塞索引表。

7.5 进程的生命周期管理

进程创建-进程运行-进程等待-进程唤醒-进程结束

(1)进程创建

引起进程创建的三个主要事件：系统初始化->用户请求创建一个新进程->正在运行的进程执行了创建进程的系统调用

(2)进程等待

在以下情况中，进程等待(阻塞)

->请求并等待系统服务，无法马上完成；

->启动某种操作，无法马上完成；

->需要的数据没有到达。

(3)进程唤醒

唤醒进程的原因如下：

->被阻塞进程需要的资源可被满足；

->被阻塞进程等待的事件到达；

->将该进程的PCB插入到就绪队列中。

(4)进程结束

包括以下四种情形：

->正常退出(自愿)

->错误推出(自愿)

->致命错误(强制性)

->被其它进程所杀(强制性)

7.6 进程的状态变化模型

进程的三种基本状态：

进程在生命结束前处于且仅处于三种基本状态之一，不用系统设置的进程状态数目不同。

->运行状态(running)：当一个进程正在处理机上运行时；

->就绪状态(ready)：一个进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行；

->等待状态(或阻塞状态blocked)：一个进程正在等待某一事件而暂停运行时的状态，如等待资源，等待I/O完成。

进程还有其它的基本状态，包括，

->创建状态(new)，一个进程正在被创建，还没被转到就绪状态之前的状态。

->结束状态(exit)，一个进程正在从系统中消失时的状态，这是因为进程结束或由于其它原因所导致。

可能的状态变化

7.7 进程挂起suspend

7.7.1 进程挂起是一种合理且充分地利用系统资源的方式。挂起时，进程没有占用内存空间，处于挂起状态的吧进程映像在磁盘上。

挂起就是把一个进程从内存转到外存。

7.7.2 挂起状态

阻塞挂起状态(blocked-suspend):进程在外存并等待某事件的出现

就绪挂起状态(ready-suspend):进程在外存，但只要进入内存，即可运行

(1)挂起：内存->外存

包括，

阻塞->阻塞挂起：没有进程处于就绪状态；或者就绪进程需要更多的内存资源；

就绪->就绪挂起：当 高优先级阻塞(系统认为会很快就绪的)进程 和 低优先级就绪进程 冲突时，系统会挂起低优先级就绪进程；

运行->就绪挂起：对于抢先式分时系统，当有 高优先级阻塞挂起进程 因为事件而变成 就绪挂起 时，系统可能会把正在运行的进程转到 就绪挂起状态。

(2)在外存中的状态

包括，

阻塞挂起->就绪挂起：当 阻塞挂起的进程 因为相关事件出现时，系统会把 阻塞挂起进程 转化为 就绪挂起状态。

(3)解挂/激活(activate):外存->内存

包括，

就绪挂起->就绪：现在没有就绪进程；当前的 就绪挂起进程 的优先级高于 就绪进程；

阻塞挂起->阻塞：当一个进程释放足够的内存时，系统会把一个高优先级的 阻塞挂起进程(系统认为会很快出现所等待的事件发生) 转为阻塞进程。

7.7.3 从进程角度看待OS

用进程的观点来看待OS，OS包括 用户进程，磁盘管理进程，终端进程等；

以进程为基本结构的OS包括：

最底层scheduler为CPU的调度程序(包括中断处理等)；

上面一层为一组各式各样的进程。

7.7.4 状态队列

(1)状态队列是由操作系统来维护的一组队列，用来表示系统当中所有进程的当前状态；

(2)不同的状态分别用不同的队列来表示(就绪队列，各种类型的阻塞队列等)；

(3)每个进程的PCB都根据它的状态加入到相应的队列当中，当一个进程的状态发生变化时，它的PCB从一个状态队列中脱离，加入到另一个状态队列里。

7.8 为什么使用线程

单进程方案

多进程方案

因此，需要满足：实体间能够并发地执行；实体之间共享相同的地址空间。->线程

7.9 线程的定义

进程 = 资源管理 + 线程

线程的优点：

一个进程中可以同时存在多个线程；

各个线程之间可以并发的执行；

各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源。

线程的缺点：

一个线程崩溃，该进程的所有线程崩溃。

不同操作系统对线程的支持：

线程所需的资源：

线程与进程的比较：

线程是资源分配的单位，线程是CPU调度单位；

进程拥有完整的资源平台，而线程只占有必须的资源，如寄存器，栈。

线程同样由就绪，阻塞，执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系。

线程能减少并发执行的时间和空间开销：

(线程的创建时间/终止时间/(同一进程内)切换时间更小；同一进程内各线程共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信)。

7.10 线程的实现

有三种线程实现的方法，

**用户线程：**在用户空间实现，例如POSIX Pthreads, Mach C-threads, Solaris threads。

**内核线程：**在内核中实现，例如Windows, Solaris, Linux。

**轻量级线程：**在内核中实现，支持用户线程，例如Solaris。

(1)用户线程

在用户空间实现的线程机制，不依赖于操作系统的内核；

由一组用户级的线程库来完成线程的管理，包括创建/终止/同步/调度；

优点：

->不需要操作系统内核了解用户线程的存在，可用于不支持线程技术的多进程操作系统；

->每个进程都需要它私有的线程控制块TCB列表，来跟踪记录它各个线程的状态信息(PC/栈指针/寄存器),TCB由线程库函数来维护；

->用户线程的切换由线程库函数实现，无需 用户态/核心态切换，所以速度快；

->允许每个进程有自定义的线程调度算法。

缺点：

->如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程都在等待；

->如果一个线程开始运行，除非它主动交出CPU，否则该线程所在进程的其它线程都无法运行；

->由于时间片分配给的是进程，所以与其它进程相比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会较慢。

(2)内核线程

是指在操作系统的内核中实现的一种线程机制，由操作系统的内核来完成线程的创建，终止和管理。

->由内核维护进程和上下文信息，也就是进程/线程控制块PCB/TCB；

->线程的创建/终止/切换都是通过系统调用或内核函数来实现(内核实现)，所以系统开销大；

->在一个进程中，如果某个内核线程发起系统调用而阻塞，不会影响其它内核线程的运行；

->时间片分配给线程，多线程的进程能获得更多的CPU时间；

->Windows NT/2000/XP 支持内核线程。

(3)轻量级进程(lightweight process)

他是内核支持的用户线程。一个进程可以有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持(Solaris/Linux)。

7.11 上下文切换

上下文切换上停止当前运行的进程(从运行态改变成其它状态)并且调度其它进程(转变成运行态)。

->必须在切换之前储存许多部分的进程上下文；

->必须能够在之后恢复他们，所以进程不能显示它曾经被暂停过；

->必须快速(因为上下文切换非常频繁)。

上下文切换需要储存的内容：

->例如寄存器(PC/SP/…)，CPU状态，…

->一些时候可能会费时，所以需要尽量避免。

操作系统为活跃进程准备了PCB；

操作系统将PCB放置到一个合适的队列里。