现代操作系统学习之进程与线程

一、进程

1.进程是对正在运行程序的一个抽象。一个进程就是一个正在执行程序的实例，包括程序计数器、寄存器、和变量的当前值。从概念上说，每个进程拥有它自己的虚拟cpu。当然实际的cpu各进程之间来回切换。

2.创建进程，有四种主要事件导致进程的创建：1.系统初始化。2.执行了正在运行进程所调用的进程创建系统调用。3.用户请求创建一个新进程。4.一个批处理作业的初始化。

启动操作系统时，通常会创建若干进程。其中有些是前台进程，也就是同用户交互并且替他们完成工作的那些进程。其他的是后台进程，这些进程与特定的用户没有关系，相反，却具有某些专门的功能，例如，设计一个后台进程来接收发来的电子邮件，这个进程在一天的大部分时间都在睡眠，但是当电子邮件到达时就突然被唤醒了。停留在后台处理诸如电子邮件、Web页面、新闻、打印之类活动的进程称为守护进程.

3.进程的终止，进程终止通常由下列条件引起:1.正常退出(自愿的) 。2.出错退出(自愿的)。3.严重错误(非自愿的)。4.被其它进程杀死(非自愿的)。 

  多数进程是由于完成了它们的工作而终止。第二个原因是进程发现了严重错误，例如用户执行cc foo.c，编译该程序，但是foo.c不存在，编译进程就会退出。第三个原因是由进程引起的错误 ，例如执行非法指令，引用不存在的内存，或除数是0。第四种终止进程的原因是,当某个进程执行一个系统调用通知操作系统杀死某个其他进程。

4.进程的层次结构，某些系统中，当进程创建了另一个进程后，父进程和子进程就以某种形式继续保持关联。在unix中，进程和它的所有子女及后裔共同组成一个进程组。当用户从键盘发出一个信号时，该信号被送给当前与键盘相关的进程组中的所有成员。

5.进程的状态，进程一般有三种状态，这三种状态是:1.运行态(该时刻进程实际占用cpu)。2.就绪态(可运行，但因为其他进程正在运行而暂时停止)。3.阻塞态(除非某种外部事件发生,否则进程不能运行)。

在操作系统发现进程不能继续运行下去时，发生由运行态到阻塞态的转换；运行态和就绪态的互相转换一般由进程调度程序引起的；当进程等待一个外部事件发生时(如一些输入到达),则发生由阻塞态到就绪态的转换，如果此时没有其他进程运行，则立即由就绪态到运行态。

使用进程模型使得我们易于想象系统内部的操作情况。一些进程正在运行执行用户键入命令所对应的程序。另一些进程是系统的一部分，它们的任务是完成下列一些工作：比如，执行文件服务请求、管理磁盘驱动器和磁带机的运行细节等。当发生一个磁盘中断时，系统会做出决定，停止运行当前的进程，转而运行磁盘进程，该进程在此前因等待中断而处于阻塞态。这样，我们就可以不再考虑中断，而只是考虑用户进程、磁盘进程、终端进程等。这些进程在等待时总是处于阻塞态。在已经读入磁盘或键入字符后，等待它们的进程就被解除阻塞，并成为可调度运行的进程。

操作系统的最底层是调度程序，在它上面有许多进程。所有关于中断处理、启动进程和停止进程的具体细节都隐藏在调度程序中。

6.进程的实现，为了实现进程模型，操作系统维护着一张表格（一个结构数组），即进程表。每个进程占用一个进程表项。也可以说是进程控制块。该表项包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息，以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时必须保存的信息，从而保证该进程随后能再次启动，就像从未被中断过一样。

与每一个I/O类关联的是一个称作中断向量的位置（靠近内存底部的固定区域，比如ARM系列cpu中断向量在0x0000000开始的位置）。它包含中断服务程序的入口地址。假设当一个磁盘中断发生时，用户进程3正在运行，则中断硬件将程序计数器、程序状态字，有时还有一个或多个寄存器压入堆栈，计算机随即跳转到中断向量所指示的地址。这些是硬件完成的所有操作，然后软件，特别是中断服务例程就接管一切剩余的工作。

所有的中断都从保存寄存器开始，对于当前进程而言，通常是在进程表项中。随后，会从堆栈中删除由中断硬件机制存入堆栈的那部分信息，并将堆栈指针指向一个由进程处理程序所使用的临时堆栈。一些诸如保存寄存器值和设置堆栈指针等操作，无法用c语言这一类高级语言描述，所以这些操作通过一个短小的汇编语言例程来完成，通过该例程可以供所有的中断使用。这也就是实现上下文切换的基本方法。

二、线程

     为什么人们需要在一个进程中再有一类进程?有若干理由说明产生这些迷你进程（称为线程）的必要性。人们需要多线程的主要原因是，在许多应用中同时发生着多种活动。其中某些活动随着时间的推移会被阻塞。通过将这些应用程序分解成可以准并行运行的多个顺序线程，程序设计模型会变得简单。我们有了关于进程模型的抽象，我们才不必考虑中断、定时器和上下文切换，而只需考察并行进程。类似的，只是在有了多线程概念之后，我们才加入了一种新的元素：并行实体共享同一个地址空间和所有可用数据的能力。对于某些应用而言，这种能力是必须的，而这正是多进程模型（它们具有不同的地址空间）所无法表达的。

第二个需要多线程的理由是，由于线程比进程更轻量级，所以它们比进程更容易（即更快）创建，也更容易撤销。在许多系统中，创建一个线程比创建一个进程要快10-100倍。在有大量线程需要动态和快速修改时，具有这一特性是很有用的。

需要多线程的第三个原因涉及性能方面的讨论。若多个线程都是cpu密集型的，那么并不能获得性能上的增强。但是如果存在着大量的I/O处理，拥有多个线程允许这些活动彼此重叠进行，从而加快应用程序执行的速度。

最后在多cpu系统中，多线程是有益的，这样的系统中，真正的并行有了实现的可能。

线程分为用户线程和内核线程，用户线程：是指线程在用户空间实现，内核对线程一无所知，还是按照正常的方式管理，即单线程进程，用户线程的有点时上下文切换比较快，用户线程切换至少比陷入内核要快一个数量级，这是使用用户线程包的极大优点。另外一个优点是每个进程有自己定制的调度算法，用户线程还具有较好的可扩展性。用户线程主要考虑的是如何在进行阻塞系统调用时，不阻塞整个进程。另外一个是，一旦开始运行一个线程其它线程就不能运行，除非主动放弃cpu。

内核线程:是指线程在内核空间实现的，内核线程不需要任何新的、非阻塞系统调用。