操作系统——进程与线程知识点总结

进程

进程的定义

• 程序就是一个指令序列，早期计算机只支持单道程序
• 引入多道程序技术后，为了方便操作系统管理，完成程序的并发执行，引入了进程，进程实体的概念
• 传统定义：进程是程序的一次执行过程（动态）
• 新定义：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

进程的组成

• 程序段，数据段，PCB（进程控制块）三部分组成了进程实体（简称进程，也叫进程映像），其中，PCB是进程存在的唯一标准！
• 程序段：存放要执行的代码
• 数据段：运算时使用产生的运算数据
• PCB：操作系统通过PCB管理进程。进程描述信息；进程控制和管理信息；资源分配清单；处理机相关状态。

进程的组织方式

• 链接方式：执行指针，就绪队列指针，阻塞队列指针
• 索引方式：按照进程状态建立几张索引表，各表指向一个PCB

进程的特征

• 进程！=程序
• 动态性（最基本特征），并发性，独立性（进程是系统进行资源分配,调用的基本单位），异步性，结构性

进程的状态

• 运行状态：占有CPU，并在CPU上运行。单核处理机环境，只能有一个进程处于运行状态

• 就绪状态：已具备运行条件，但没有空闲的CPU。万事具备，只欠CPU

• 阻塞状态：因等待某一事件而暂时不能运行

• 创建态：进程正在被创建，操作系统正在为进程分配资源，初始化PCB

• 终止态：进程被撤销，操作系统回收资源，撤销PCB

进程状态间的转换

• 就绪态到运行态：进程被调用
• 运行态到就绪态：时间片到或处理机被强占
• 运行态到阻塞态：进程用“系统调用”的方式请求某种系统资源，或者请求等待某个事件发生
• 阻塞态到就绪态：申请的资源被分配或请求的事件发生
• 就绪态：无处理机 其他都有；运行态：都有；阻塞态：都没有
• 运行态到阻塞态：是进程自身做出的主动行为
• 阻塞态到就绪态：不是进程本身能控制的，是一种被动行为
• 不能阻塞态进运行态，也不能就绪态进入阻塞态

什么是进程控制

• 进程控制就是要实现进程状态转换

进程控制的原语

• 用原语实现进程控制，执行期间不允许中断。这种不可被夹断的操作叫原子操作
• 用 关中断指令，开中断指令 来实现。特权指令，只能在核心态下执行
• 原语功能：1. 更新PCB中的信息 2. 将PCB插入合适的队列 3. 分配/回收资源
• 相关原语：进程的创建，进程的终止，进程的阻塞，进程的唤醒，进程的切换（阻塞和唤醒成队出现）

进程通信

• 进程之间的信息交换
• 进程拥有的内存地址空间相互独立

进程通信–共享存储

• 格外分配一个共享空间，访问必须互斥
• 基于数据结构的共享（低级通信），基于存储区的共享（高级通信）

进程通信–管道通信

• 一个管道只能采用半双工通信（好比于对讲机）
• 互斥的访问管道
• 数据以字符流的形式写入管道
• 如果没有写满，就不容许读。没读空，就不允许写。写满了就不允许写
• 读出后数据会被抛弃，这意味着读进程只能有一个

进程通信–消息传递

• 通过发送/接收原语来实现

• 直接通信方式：消息直接到接收方的队列里

• 间接通信方式：消息先发到中间体（信箱）

线程

什么是线程

• 在很久之前，系统只能串行执行
• 传统 CPU处理进程，进程是程序执行流的最小单位
• 当下CPU处理线程，线程成为了程序执行流的最小单位（一个进程有多个线程）
• 线程是“轻量级进程”

为什么引入线程

• 引入线程，进程间可以并发，进程内的各线程也可以并发

引入线程后，有什么变化

• 资源分配（进程），调度（由进程变为线程）
• 并发性：间并发 变成了 既能进程间并发，又能进程内并发
• 系统开销：变小了（线程切换不需要切换进程）

线程属性

• 线程是处理机调度的单位
• 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
• 每个线程用有一个线程ID，线程控制决（TCB）
• 线程也有就绪，阻塞，运行的三种基本状态
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同一进程的不同线程共享进程的资源
• 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程通信无需系统干预
• 同一进程的线程切换，不会引起进程切换
• 不同进程的线程切换，会引起进程的切换
• 切换进程，系统开销大

线程的实现方式

• 用户级线程：从用户视角看到的线程
• 内核级线程：操作系统只能看的到内核级线程，因此只有内核线程才是处理机分配的单位。
• 组合方式：两种方式的结合

多线程模型

• 多对一模型，多个用户级线程映射到一个内核级线程。优点：进程管理开销小效率高，缺点：并发度低

• 一对一模型，并发能力强，开销大

• 多对多模型，集二者之优