进程与线程

一、引入进程的原因

为了使程序能并发执行，并能对并发的程序加以描述和控制（解决程序并发的不可再现性）

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二、什么是进程？

• 进程是执行中的程序
• 进程是动态概念，有声明周期
• 它是操作系统进行资源分配和调度的基本单位

进程分类：

• 系统进程：执行操作系统核心代码的进程（独占资源，最高优先级运行；直接执行 I/O 操作；内核态下活动）
• 用户进程：执行用户程序的进程（通过系统调用竞争资源；不直接执行 I/O 操作；用户态下活动）

进程组成：

• 一段可执行的程序
• 程序所需要的相关数据（变量，工作空间，缓冲区）
• 进程控制块（PCB 里面有程序的一些控制信息）

进程的状态：

• 就绪态：获得除 CPU 外的所有必要资源
• 运行态：获得 CPU 控制权，运行
• 阻塞态：因为等待某事件而暂停执行（如 I/O 等待）

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三、进程的创建、终止与切换

进程的创建：

1. 申请空白 PCB（进程有唯一数字标识）
2. 为新进程分配资源（为程序、数据和用户栈分配内存）
3. 初始化 PCB （初始化标识信息；初始化处理机状态信息；初始化处理机控制信息）
4. 将新进程插入就绪队列

进程的终止：

1. 根据被终止进程的标识符，从 PCB 集合中检索出该进程的 PCB，从中读出该进程状态
2. 若被终止的进程处于执行状态，应立即终止该进程的执行。
3. 若该进程还有子孙进程，终止其所有子孙进程
4. 将被终止进程的所有资源归还给父进程或系统
5. 将被终止进程的 PCB 从所在队列或链表中移出，等待其它程序来收集信息

进程切换：

何时切换进程？

中断：

• 时钟中断：时间片轮转，运行态 -> 就绪态
• I/O 中断：运行态 -> 阻塞态
• 内存失效：访问缺页/段，运行态 -> 阻塞态

陷阱：

• 致命错误：运行态 -> 终止态
• 不致命错误：系统试图恢复和告知用户

系统调用：

• 运行态 -> 阻塞态

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线程

四、为什么引入线程？

线程：程序中单一的顺序控制流程
目的：为了提高操作系统并发度

并发与并行：

并发：当都多个线程在操作时，如果系统只有一个 CPU，则它根本不可能真正同时进行一个以上的线程，它只能把 CPU 运行时间划分为若干个时间段，再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其它线程处于挂起状态（挂起等效于不在内存中），这种方式我们称之为并发。

并行：当系统有两个或多个 CPU 时，一个 CPU 执行一个线程的同时另一个 CPU 执行另一个线程，两个线程不抢占 CPU 资源，可以同时进行，这种方式我们称之为并行。

进程并发执行的好处：资源共享；提高速度；模块化

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进程：是分配资源的单位
线程：系统调度的单位

线程的优点：

• 响应度高：增加了对用户的响应程度
• 资源共享：线程默认共享他们所属进程的内存和资源
• 经济：终止一个线程比终止一个进程话费时间少；同一进程内切线程切换比进程间切换时间少
• 多处理器体系结构的利用：单线程进程只能运行在一个 CPU 上；在多个 CPU 机器上使用多线程增加了并发功能