7.2 进程的组成
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（1）一个进程应该包括
- 程序的代码
- 程序处理的数据
- 程序运行位置（程序计数器的值，指示下一条将运行的指令）
- 一组通用寄存器的值，堆、栈
- 一组系统资源，如文件等。
总之，进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息。
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（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。
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（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：可动态创建，结束进程
- 并发行：进程可被独立调用并占用处理机运行
- 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
7.4进程控制块（PCB）
定义：process control block, PCB。操作系统管理控制进程运行所用的信息集合。操作系统用PCB来描述进程的基本情况以及运行变化的过程。PCB是进程存在的唯一标志。
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PCB含有以下三大类信息
- 1. 进程标志信息： 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。
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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。
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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。
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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
全周期：进程创建-进程运行-进程等待-进程唤醒-进程结束
- 进程创建：引起进程创建的三个主要事件：（1）系统初始化；（2）用户请求创建一个新进程；（3）正在运行的进程执行了创建进程的系统调用
- 进程等待（阻塞） ：以下情况下，进程等待：（1）请求并等待系统服务，无法马上完成；（2）启动某种操作，无法马上完成；（3）需要的数据没有到达。（进程只能自己阻塞自己）
- 进程唤醒：唤醒进程的原因如下：（1）被阻塞进程需要的资源可被满足；（2）被阻塞进程等待的事件到达；（3）将该进程的PCB插入到就绪队列中。（进程只能被别的进程或操作系统完成）
- 进程结束：（1）正常退出（自愿性）；（2）错误导致（自愿性）；（3）致命错误（强制性）；（4）被其他进程所杀（强制性）
7.6 进程的状态变化模型
进程的三种基本状态：
- ->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。
- ->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。
- ->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。
进程状态变化模型.png
7.7 进程挂起suspend
- 概念：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，处于挂起状态的进程映像在磁盘上。挂起就是把一个进程从内存转到外存。挂起的两种状态：（1）阻塞挂起状态(blocked-suspend): 进程在外存并等待某事件的出现。（2）就绪挂起状态(ready-suspend): 进程在外存，但只要进入内存，即可运行。
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挂起/解挂状态变化
- 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。
- 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 阻塞挂起进程转化为就绪挂起状态。
- 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。
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状态队列
- 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；
- 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)；
- 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 线程
- 提出背景：需要新的实体，有以下特性：（1）实体间能够并发地执行；（2）实体之间共享相同的地址空间
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重新理解线程：进程 = 资源管理+线程
线程所需资源.png -
线程优点：
（1）一个进程中可以同时存在多个线程；
（2）各个线程之间可以并发的执行；
（3）各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源。 -
线程缺点：
一个线程崩溃，该进程的所有线程崩溃。 -
线程与进程比较：
（1）进程是资源分配的单位，线程是CPU调度单位；
（2）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。
（3）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。
（4）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
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；
用户线程.png
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优点：
（1）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；
（2）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；
（3）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；
（4）允许每个进程有自定义的线程调度算法。 -
缺点：
（1）如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程都在等待；
（2）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；
（3）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。
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。
内核线程.png
- 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。
轻量级进程
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)
轻量级进程.png
7.11 上下文切换
- 概念：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)。
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要求：
（1）->必须在切换之前储存许多部分的进程上下文；
（2）->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；
（3）->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：
（1）->例如寄存器(PC/SP/…)，CPU状态，…
（2）->一些时候可能会费时，所以需要尽量避免。
