进程与线程概念剖析

线程

1：执行流

  多道程序设计：是一种让处理器在多个任务间来回切换执行的方法，这样给了用户一种所有任务并行执行的错觉，这称为“伪并行”。任务轮转工作是由任务调度器来执行的。

  任务调度器是os的一个模块，它根据一套算法来决定从线程表中调度线程的顺序和时间。

什么是线程？

  线程是一套机制，此机制可以为一般的代码块创造它所依赖的上下文环境（自己的栈，一套自己的寄存器映像和内存资源）。从而让代码块具有独立性，因此在原理上线程能使一段函数成为调用单元（或称为执行流），使函数能够被调度器认可，从而能够被专门调度到处理器上执行。这样，函数就可以被加入到线程表中作为调度器的调度单元，从而有机会单独获得处理器资源。也就是说，处理器不是把线程中调用的函数和其他指令混在一起执行的，或者说不是在执行整个进程时顺便执行了该函数，而是单独，专门执行了此函数。

  任何代码块（就是函数），只要给它加上上下文环境，就具备独立性，可以成为执行流，单独被调度器调度。

  简单的来说，线程就是一段具有独立性的代码块，可以被单独调度上处理器执行。这样的代码块称为执行流。

使用线程的目的？

  使用线程的目的主要是让程序中的多个函数以并行的方式执行（单核就是伪并行），从而为程序提速。当然线程它没有自己独立的地址空间，必须依赖于进程的资源，所以使用线程的目的也可以说是为了进程提速。

  为进程提速的原理有2个，一是让自己的进程拥有多个执行流，在任务调度器的线程表中多拥有几个调度单元，增加自己进程中指令被调度上cpu执行的可能性，相当于去抢其他进程的执行时间。

  二是防止因为一些局部原因而阻塞了整个进程。

2:进程

  进程就可以看作是线程加资源。因为进程如果不显示的创建线程，就是单线程进程，它里面也至少有一个执行流。资源呢就是进程有自己独立的页表，线程没有。

3:进程，线程的状态

  状态是用来描述执行流的，是用来描述线程的。调度器的调度单位是执行流，状态可以理解为调度器调度的依据。一些线程因为等待外界条件而无法继续执行，调度器就把它换下去，这称为阻塞态。把外界条件成立，随时可以被调度器调度上处理器执行的线程状态称为就绪态，把已经被调度器调度，正在处理器上运行的线程状态称为就绪态。进程同理，因为进程可以看作线程加资源，状态是用来描述进程中有关动作的执行流部分，不包括静态的资源部分。

PCB（进程控制块）

  可以看成进程的身份证，是os用来管理进程用的。os为每一个进程都提一个pcb，用来记录与进程相关的信息，比如进程状态，进程ID（PID），优先级等。os把所有PCB放到一个表格中来维护，就是进程表，通过这个表。调度器就可以来选择在处理器上运行的进程了。

  PCB一般都很大，以页（4kb）为单位，我的玩具os比较简单，PCB只占一页。

  PCB格式：PCB格式不固定，取决于OS的复杂程度，一些基本的内容有：寄存器映像（用了保存进程被调度下处理器的时候的状态的，下次被调度的时候用来恢复现场），栈（进程所使用的0特权级别下的内核栈），栈指针（记录0级栈栈顶的位置），进程id（pid），进程状态，优先级，时间片，页表，打开的文件描述符，父进程。

4:实现线程的两种方式-内核或用户线程

  主要是看线程机制在哪里实行的，就是看线程表在哪里，由用户代码，还是内核代码来调用线程上cpu。在0特权级代码实现的就是内核级线程，在3特权级用户级代码实现的就是用户线程。

在用户空间实现线程

  优势：

• 1:可移植性强。在不支持线程的os上也可以用。

• 2:灵活性强。可以自己改变线程调度算法，给某些线程加权调度。

• 3:将线程的寄存器映像装载到CPU时，可以在用户空间完成，不用陷入内核态，免去了进入内核时的入栈和出栈操作。

  缺点：

• 1:进程可能因为某个线程的阻塞而全体阻塞，让整个进程被挂起，即整个进程的全部线程都无法执行。
• 2:整个进程占据处理器的时间片有限。

5:在内核空间实现线程

优势：

• 1:可以让进程多占处理器资源，本线程的多个线程出现在任务调度器的线程表中，增加被调用的时间期望
• 2:单一线程阻塞不会让全体线程被阻塞。

缺点：

• 1:用户进程需要系统调用陷入内核，增加了一些现场保护的栈操作。

6:上下文保护

  分为两部分：1保存任务进入中断前的全部寄存器，目的是能够让任务恢复到中断前。

  2 保存esi,edi,ebx,ebp这4个寄存器，让任务执行在任务切换发生时剩下未执行的内核代码。保证顺利走到退出中断的出口，利用第一部分保护的寄存器环境彻底恢复任务。

7:cpu寄存器

x86寄存器（32位）分类：

8个通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP

1个标志寄存器：EFLAGS(第9位IF位，sti指令开中断，置1，cli关中断，置0）

6个段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS

5个控制寄存器：CR0（第31位pg位）、CR1、CR2、CR3（页表寄存器）、CR4

8个调试寄存器：DR0、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6、DR7

4个系统地址寄存器：GDTR、IDTR、LDTR、TR

其他寄存器：EIP、TSC等。