操作系统 —— 进程线程模型

一、基础概念

进程的分类

系统进程,用户进程；前台进程，后台进程；CPU密集型进程，I/O密集型进程

进程层次结构

UNIX：进程家族树；Windows：地位相同

进程映像

对进程执行活动全过程的静态描述

上下文切换

将CPU硬件从一个进程换到另一个进程的过程称为上下文切换。进程不运行时，寄存器的值保存于PCB，要允许新进程时，PCB的相关值送到对应的寄存器。

进程控制块 PCB

PCB —— Process Control Block，又称进程描述符。
操作系统用于管理控制进程的一个专门数据结构。进程与PCB一一对应。

1. 进程描述信息

• 进程标识符（process id），唯一，通常是一个整数
• 用户标识符（user id）
• 进程名
• 进程组关系

2. 进程控制信息

• 当前状态
• 优先级
• 代码执行入口地址
• 程序的磁盘地址
• 运行统计信息
• 进程间同步和通信
• 进程的队列指针
• 进程的消息队列指针

3. 所拥有的资源和使用情况

• 虚拟地址空间的状况
• 打开文件列表

4. CPU现场信息

• 寄存器值
• 指向该进程页表的指针

二、进程的状态及状态转换

6种基础状态

1. 运行态: 占有CPU，并在CPU上运行
2. 就绪态: 已经具备运行条件，但无空闲CPU，而暂时不能运行
3. 等待态: 也叫阻塞态、封锁态、睡眠态，因等待某一时间而暂时不能运行
4. 创建: 已完成创建，但尚未同意执行该进程
5. 终止: 终止进程，资源回收
6. 挂起: 用于调节负载，其进程映像交换到磁盘上

进程队列：
伴随着进程的改变，其PCB从一个队列进入另一个队列

进程控制：
进程控制操作完成进程各状态之间的转换，由具有特定功能的原语完成。
进程创建原语，进程撤销原语，阻塞原语，唤醒原语，挂起原语，激活原语，改变进程优先级。

原语（primitive）又叫原子操作（atomic）

1. 完成特定功能的一段程序，具有不可分割或不可中断性
2. 即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断

进程的执行过程

1. 进程的创建

• 为新进程分配一个唯一标识以及PCB
• 为进程分配地址空间
• 初始化进程控制块
• 设置相应的队列指针
• UNIX: fork/exec; WINDOWS: CreateProcess
• exec: 通过用一段新的程序代码覆盖原来的地址空间，实现进程执行代码的转换

2. 进程的撤销

• 结束进程
• 收回进程所占有的资源
• 关闭打开的文件、断开网路连接、回收分配的内存
• 撤销该进程的PCB
• UNIX: exit; WINDOWS: TerminateProcess

3. 进程的阻塞

• 等待某一事件发生，在其尚未发生时，由进程自己执行阻塞原语，使自己由运行态变为阻塞态
• UNIX: wait; WINDOWS: WaitForSingleObject

Fork 的实现

实现原理

1. 为子进程分配一个空闲的进程描述符（proc结构）
2. 分配给子进程唯一标识pid
3. 以一次一页的方式复制父进程地址空间（Linux采用了写时复制技术COW加快创建进程Copy-On—Write）
4. 从父进程处继承共享资源，如打开的文件和当前工作目录等
5. 将子进程的状态设为就绪，插入到就绪队列
6. 对子进程返回标识符0
7. 向父进程返回子进程的pid

三、线程的引入

概念

为什么在进程中再派生出线程？

1. 应用的考虑
2. 开销的考虑
3. 性能的考虑

线程：进程中的一个运行实体，是CPU的调度单位，有时将线程称为轻量级进程

• 有标识符ID
• 有状态及状态转换 -> 需要提供一些操作
• 不运行时需要保存上下文
• 有自己的栈和栈指针
• 共享所在进程的地址空间和其他资源
• 可以创建、撤销另一个线程

线程机制的实现

用户级线程，核心(Kernel)级线程，混合-两者结合方法。
用户级线程小结

• 优点：
  • 线程切换快
  • 调度算法是应用程序特定的
  • 用户级线程可运行在任何OS上
• 缺点：
  • 内核只能讲CPU分配给进程，同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上
  • 大多数系统调用是阻塞的，因此由于内核阻塞进程，进程中的所有线程也被阻塞
    • 可以将系统调用改为非阻塞的
    • Jackeing/Wrapper
  • 如果进程内一个线程被阻塞，那么整个进程就会被阻塞，无法充分利用多处理器的优势；而如果一个线程异常，那么整个进程也就完蛋了