进程（一）

该章节包括：

2.1 进程的定义、组成、组织方式、特征

2.2 进程的状态与转换

2.3 进程控制

2.5 线程概念和多线程模型

2.1 进程的定义、组成、组织方式、特征

本小节知识概览

2.1.1 定义

在早期的计算机中，只能处理单个任务，

引入多道程序之后，在内存中需要存储多个程序需要的数据，那么操作系统是如何知道各个程序的存放位置呢？

因此就引出了进程、进程实体的概念。

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像〉。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB。

注意：PCB是进程存在的唯一标志

2.1.2 组成

进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分组成

PCB的组成：

PCB：记录管理进程所需要的信息

程序段、数据段：记录程序需要的数据

2.1.3 组织方式

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。

注意：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。

链接方式: 将处于不同状态的PCB连接成队列

索引方式：指针通过索引表指向不同状态的PCB

2.1.4 特征

2.1.5 本小节总结

2.2 进程的状态与转换

本小节知识概览

2.2.1 进程的状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

进程的创建状态：为进程分配内存、PID…

进程的终止状态：销毁PCB、释放内存…

2.2.3 进程状态的转换

上面说道进程的五种状态，那么这几种状态之间是如何转换的呢？

2.2.4 本小节总结

2.3 进程控制

本小节知识总览

2.3.1 基本概念

什么是进程控制？

如何实现进程控制？

简单来说进程的控制就是通过修改 PCB 中的标志，以及放入相应的队列中。

如果 PCB 中的标志位是就绪状态，但却在阻塞队列中，就会发生系统错误，因此需要原语实现进程的控制！

2.3.2 进程控制相关的原语

用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。这种不可被中断的操作即原子操作。
原语采用**“关中断指令”和“开中断指令”**实现

当代码中有一些外部中断信号，由于执行了关中断指令，这些外部中断信号是被忽略的，也就是不会被执行，保证了原子性。在执行开中断指令后，才会去处理这些中断信号。

进程控制的相关原语：

学习技巧:进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情:

1． 更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)

​ a.所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志

​ b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境

​ c.某进程开始运行前必然要恢复运行环境

2.将PCB插入合适的队列

3.分配/回收资源

创建原语

撤销原语

阻塞、唤醒原语

切换原语

2.3.3 本小节总结

2.4 进程通信

本小节知识概览

什么是进程通信？

顾名思义，进程通信就是指进程之间的信息交换。

进程是分配系统资源的单位〈包括内存地址空间)，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

2.4.1 共享存储

顾名思义，就是通过一个共享的内存空间达到数据共享

值的注意的是:

• 两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）。
• 操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P、V操作)

俩种共享存储的方式 ：

基于数据结构的共享:比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式

基于存储区的共享:在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

思考：

有过Java基础的，我们可以想想为什么 wait/notify 必须要在同步代码块中使用呢？

首先我们需要明确 wait/notify 是用来实现通信的一种手段，使用的正是 共享存储的方式，而在共享空间中，俩个进程对共享空间中数据的读和写必须是互斥的，而想要达到这一个条件，就需要我们使用互斥锁来实现。

2.4.2 消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

俩种消息传递的方式：

直接通信方式：

每一个进程都会有一个消息缓冲队列， 进程1 想要给 进程2 发送消息，首先会创建一个消息Message，通过发送原语直接挂到进程2的缓冲队列上。

间接通信方式：

进程之间通过 信箱 的方式进行通信，进程1通过发送原语将消息发送到信箱中，进程2通过接收原语接受消息

2.4.3 管道通信

1．管道只能采用半双工通信（对讲机），某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。

2.各进程要互斥地访问管道。

3．数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。

4．如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。

5．数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

2.4.4 本小节总结

共享存储是双向通信，可以进行数据交换，管道通信和消息传递属于单向通信。

2.5 线程概念和多线程模型

本小节知识概览、

2.5.1 什么是线程，为什么要引入线程

因此在引入线程之后，CPU调度的并不是一个个进程了，而是进程中的某一个线程，更加细粒度。

• 可以把线程理解为“轻量级进程”
• 线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。
• 引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件)
• 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)

2.5.2 引入线程机制后，有什么变化

线程的属性：

2.5.3 线程的实现方式

用户级线程（User-Level Thread，ULT）

• 用户级线程由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换)
• 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
• 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明)
• 可以这样理解，“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”

内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT 又称：内核支持的线程）

• 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
• 可以这样理解，“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式:将n个用户级线程映射到m个内核级线程上（ n >= m)

重点重点重点;
操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

例如:

左边这个模型中，该进程由两个内核级线程，三个用户级线程，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户线程并行执行。

2.5.4 多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。

多对一模型:多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。
优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

缺点:当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

一对一模型:一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。

优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

多对多模型:n用户及线程映射到m个内核级线程(n >= m）。每个用户进程对应m个内核级线程。
克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

2.5.5 本小节总结