进程与线程

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时它们失去封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征。为此引入进程的概念，以更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。

2.1.1、进程的概念

PCB是进程存在的唯一标志
为保证并发执行的程序能独立地运行，必须为之配置一个专门的数据结构，称为进程控制块(PCB)。
系统通过PCB来描述进程的情况和状态，从而控制和管理进程。
程序段、数据段和PCB三部分构成了进程映像（进程实体）。
进程映像是静态的，而进程则是动态的。

传统操作系统中的进程定义：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。此处的资源是指处理机、存储器和其他设备服务于某进程的“时间”。这就决定了进程一定是一个动态的、过程性的概念。

2.1.2、进程的特征

• 动态性：动态性是进程最基本的特征。
• 并发性：并发性是进程的重要特征，也是操作系统的重要特征。
• 独立性：进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。
• 异步性：由于进程的相互制约，使得进程具有间接性。异步性会导致执行结果的不可再现性。
• 结构性：进程实体由程序段、数据段和PCB三部分构成。

2.1.3、进程的状态转换

在外存进入内存的同时，由程序转变成进程。
进程一共有五种状态，分别是：创建态、就绪态、运行态、阻塞态、终止态。

进程的状态转换

就绪态与阻塞态的区分

就绪态：缺少处理机，等待获取处理机。
阻塞态：资源抢夺、进程合作而发生等待，等待获取资源。

2.1.4、进程控制

进程控制主要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。

1、进程的创建

在操作系统中，终端用户登陆系统、作业调度、系统提供服务、用户程序的应用请求都会引起进程的创建。

• 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB（PCB是有限的）。若PCB申请失败则创建失败。
• 为进程分配资源，为新进程的程序和数据，以及用户栈分配必要的内存空间（在PCB中体现）。这里资源分配不足（比如内存空间），并不是创建失败，而是处于“等待状态”，或成为“阻塞状态”，等待的是内存这个资源。
• 初始化PCB，主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息和初始化处理机控制信息，以及设置进程的优先级等。
• 如果进程就绪队列能够接纳新进程，就将新进程插入到就绪队列中，等待被调度运行。

2、进程的终止

引起进程终止的事件主要有：正常结束；异常结束（进程运行时发生了某种异常事件，使程序无法继续运行，如存储越界、保护错、非法指令、特权指令错、I/O故障等）；外界干预（进程应外界的请求而终止运行，如操作员干预、父进程请求和父进程终止）。

• 根据被终止进程的标识符，检索PCB，从中读出该进程的状态。
• 若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的执行，将处理机资源分配给其他进程。
• 若该进程还有子进程，则应将其所有子进程终止。
• 将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程或归还给操作系统。
• 将该PCB从所在队列（链表）中删除。

3、进程的阻塞（进程的主动行为）

只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。

• 找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB。
• 若该进程为运行态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行。
• 把该PCB插入到相应事件的等待队列中去。

4、进程的唤醒（进程的被动行为）

• 在该时间的等待队列中找到相应进程的PCB。
• 将其从等待队列中移出，并置其状态为就绪状态。
• 把该PCB插入就绪队列中，等待调度程序调度。
  进程的阻塞是由被阻塞进程自我调用实现的，而唤醒是由一个与被唤醒进程相合作或被系统进程调用实现的。

5、进程的切换

对于通常的进程，其创建、撤销以及要求由系统设备完成的I/O操作都是利用系统调用而进入内核，再由内核中相应处理程序予以完成的。进程切换同样是在内核的支持下完成的。
任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。

• 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
• 更新PCB信息。
• 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等其他队列。
• 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
• 更新内存管理的数据结构。
• 恢复处理机上下文。
  一般来说，先有资源的调度，然后才有进程的切换。

4、关于进程的唤醒

唤醒一个进程有两种方法：一种是由系统进程唤醒。另一种是由事件发生进程唤醒。
当由系统进程唤醒等待进程时，系统进程统一控制事件的发生并将“事件发生”这一消息通知等待进程。从而使得该进程因等待事件已发生而进入就绪队列。
等待进程也可由事件发生进唤醒。由事件发生进程唤醒时，事件发生进程和被唤醒进程之间是合作关系。因此，唤醒原语既可被系统进程调用，也可被事件发生进程调用。

2.1.5、进程的组织

进程是一个独立的运行单位，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。

1、进程控制块（PCB）

在一个系统中，为了方便进程的调度和管理，需要将进程的PCB用适当的方法组织起来。常用的组织方法有链接方式和索引方式两种。
链接方式将同一状态的PCB链接成一个队列，不同状态对应不同的队列，也可以把处于阻塞状态的进程的PCB，根据其阻塞原因的不同，排成多个阻塞队列。
索引方式是将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的PCB，不同状态对应不同的索引表，如就绪索引表和阻塞索引表等。

2.1.6、进程的通信

进程的通信是指进程之间的信息交换。PV操作是低级通信方式，高级通信方式是指以较高的效率传输大量数据的通信方式。
高级通信主要有以下三个类：

• 共享存储：通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间。

共享存储分为两类：
低级方式的共享是基于数据结构的共享；
高级方式则是基于存储区的共享。

• 消息传递：消息传递系统中，进程利用操作系统提供的消息传递方法（发送原语，接收原语）进行数据交换。

直接通信方式：发送进程直接把消息发送给接收进程，并将它挂在接受进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。
间接通信方式：发送进程把消息发送到某个中间实体中，接受进程从中间实体中取得信息。这种中间实体一般称为信箱，这种通信方式又称为信箱通信方式。（例如电子邮件系统）

• 管道通信：为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力：互斥、同步和确定对方的存在。在Linux中，管道是一种使用非常频繁的通信机制，管道通信可以克服使用文件进行通信的两个问题：

1）限制管道的大小。实际上，管道是一个固定大小的缓冲区。Linux中，该缓冲区的大小为4KB。当管道被写满时，对管道的write()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被读取，以便腾出足够的空间供write()调用写。
2）读进程也可能比写进程快。当所有当前进程数据已被读取时，管道变空。这种情况发生时，一个随后的read()调用将默认地被阻塞，等待某些数据被写入，这解决了read()调用返回文件结束的问题。
管道只能采取半双工通信，即某一时刻只能单向传输。要实现父子进程双方互动通信，需要定义两个管道。

进程与作业的关系

• 作业是用户向计算机提交任务的实体，有可能全部位于外存，而进程则是完成用户任务的执行实体，总会有一部分位于内存。
• 一个作业可由多个进程组成且至少包含一个进程，反之不可。
• 作业的概念只存在于批处理系统中。

2.2.1、线程的概念

引入线程，则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销。提高操作系统的并发性能。

• 线程最直接的理解就是“轻量级进程”，它是一个CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元，由程序ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。
• 线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
• 由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性，线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。
  进程只作为除CPU以外系统资源的分配单元，线程则作为处理机的分配单元。由于一个进程有多个线程，如果线程的切换发生在同一个进程内部，则只需要很少的时空开销。

2.2.2、线程与进程的比较

1、调度。拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。在引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位，进程是拥有资源的基本单位。
在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。在不同进程中进行线程的切换，如从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。
2）拥有资源。进程是拥有资源的基本单位，而线程不拥有系统资源。
3）并发性。在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且多个线程之间也可以并发执行，从而使操作系统具有更好的并发性，提高了系统的吞吐量。
3）系统开销。创建或撤销进程的时候，系统付出的开销远大于创建或撤销进程的开销。线程之间的同步和通信非常容易实现，甚至无需操作系统的干预。
5）地址空间和其他资源（如打开的文件）：进程的地址空间之间相互独立，同一进程的各线程间共享进程的资源，某进程内的线程对于其他进程不可见。
6）通信方面。进程间通信（IPC）需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性，而线程之间可以直接读/写进程数据段（如全局变量）来进行通信。

2.2.3、线程的实现方式

线程的实现可以分为两类：用户级线程（User-Level Thread，ULT）和内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT）。内核级线程又称为内核支持的线程。

• 在用户级线程中，有关线程管理的所有工作都由应用程序完成，内核意识不到线程的存在，应用程序可以通过使用线程库设计成多线程程序。
• 在内核级线程中，线程管理的所有工作由其内核完成，应用程序没有进行线程管理的代码，只有一个到内核级线程的编程接口。内核为进程及其内部的每个线程维护上下文信息，调度也是在内核基于线程架构的基础上完成。
  在一些系统上，使用组合方式的多线程实现。线程创建完全在用户空间中完成，线程的调度和同步也在应用程序中进行。一个应用程序中的多个用户级线程被映射到一些（小于或等于用户级线程的数目）内核级线程上。

2.2.4、多线程模型

1）多对一模型。将多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间完成，此模式中，用户级线程对操作系统不可见（即透明）。
优点：线程管理是在用户空间进行的，因而效率比较高。
缺点：当一个线程在使用内核服务时被阻塞，那么整个进程都会被阻塞；多个线程不能并行地运行在多处理机上。
2）一对一模型。将每个用户级线程映射到一个内核级线程。
优点：当一个线程被阻塞后，允许另一个线程继续执行，所以并发能力较强。
缺点：每创建一个用户级线程都需要创建一个内核级线程与之对应，这样创建线程的开销比较大，会影响到应用程序的性能。
3）多对多模型。将n个用户级线程映射到m个内核级线程上，要求m小于等于n。
特点：克服了多对一模型的并发度不高的缺点，又克服了一对一模型的一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。又拥有多对一模型和一对一模型各自的优点。