进程与线程

(1) 核心定义
进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序的一次执行过程，拥有独立的地址空间，程序段、数据段以及PCB，进程均是系统进行资源分配的最小单位，未引入线程的OS中，进程也是调度的最小单位。

程序段和数据段存储在磁盘上，静态的，一组指令、数据和对齐组织描述的总和。PCB是动态的，将这些程序与数据从磁盘调入内存时OS为每个进程配备的完整的记录型数据结构，用来描述进程当前的状态。

PCB是进程独立运行基本单位的标志，能够实现进程的间断运行（保存处理器现场信息），提供进程管理的信息，提供进程调度信息，实现与其他进程的同步和通信。PCB中包含PID的进程标识符，处理器状态信息（PC，PSW, 通用寄存器，用户栈指针，PTBR），处理器调度信息（调度状态，调度优先级，调度相关信息，事件），进程控制信息（进程同步机制，代码段和数据段地址。资源清单和链接指针）

线程是进程中的一个实体，是CPU调度和执行的最小单位，是进程的子集，同一进程中的线程共享进程的资源，线程自身基本不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，如程序计数器、一组寄存器和栈。
寄存器信息（通用寄存器，PC，PSW）、局部变量、栈地址空间、栈帧,各线程等待信号屏蔽字均为线程独占，而不是共享的。

线程可分为用户级线程和内核级线程，用户级线程是在用户空间中完成创建执行，比如线程池，OS感知不到，因此可以在不支持线程的OS平台上运行，没有内核参与效率更高。缺点是一旦某线程阻塞其余跟着遭殃，不能利用多处理实现并发，因为OS只会为该进程分配一个处理器，同时只能有一个线程处于执行态。

内核级线程优点是内核可调度一个进程内多个线程上处理机运行，完美适配多处理器技术，当一个线程被阻塞时还能切换到另一个线程上处理器运行，OS自身也可以用多线程，缺点是引入额外开销。

还有两种组合方式，多对一模型指的是多个用户对一个内核，本质上还是跟单独的用户线程差不多，一个阻塞其余也阻塞，优点效率高，多对多需要保证用户级线程个数大于内核级线程个数，可以在多核系统是并发运行。
(2) 关键特征或步骤

• 进程的关键特征
  • 独立性：进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位，各进程之间互不干扰。
  • 动态性：进程具有生命周期，从创建到终止，其状态在不断变化，是动态的实体。
  • 并发性：多个进程可以在系统中同时运行，共享系统资源，相互协作或竞争。
  • 结构特征：由程序、数据和进程控制块三部分组成，程序和数据说明进程运行的实体，进程控制块是进程存在的标志，记录了进程运行过程中的各种信息。
• 线程的关键特征
  • 轻量级：线程上下文切换开销小，创建和撤销的代价也小，系统在进行线程切换时，只需要保存和恢复线程的寄存器和栈指针等少量信息。
  • 并发性：线程是CPU调度和执行的最小单位，可以实现更细粒度的并发操作，提高系统的并发性能和资源利用率。
  • 共享性：同一进程中的线程共享进程的资源，如地址空间、文件描述符等，线程间通信更方便。

进程间通信分为高级通信和低级通信，其中信号量属于低级，效率低，对用户不透明，高级通信可以高效实现大规模数据传输，由OS以系统调用形式提供。

共享存储通信方式分为进程间共享同一数据结构（低级），共享存储区的通信方式（高级），共享存储区是OS在内核中开辟一块共享存储区

信息传递分为直接和间接，两者均为高级共享方式，间接是多个进程借助信箱通信，方向是双向的，通过不阻塞发生，阻塞接收来实现进程同步。而直接信息传递是两个进程间单向发生到对方的消息队列中

管道通信是基于共享文件来事件进程间通信，可以有多个读写进程，但应使用同步机制保证同一时刻一个方向上只有一个进程进行操作。当有一个进程对管道进行读或写操作，其他进程必须等待，管道是一个固定大小缓冲区，在内核中实现，其大小不受磁盘大小限制。

管道实质是一个共享文件，读进程将管道视为输出文件，写进程将管道视为输入文件，可以利用文件系统机制实现。

读数据操作是一次性的，管道中的数据一旦被读取就会被抛弃，管道是半双工通信，数据只能单向传输。

信号是一种单向事件通知能力的软中断，通过发送指定信号来通知进程某个事件发送，以迫使进程执行信号处理程序。

信号可以由用户、OS内核和进程产生，用户通过输入特定字符请求内核产生信号，OS会给前台进程组中所有进程发送中断信号SIGINT。当进程运行遇到错误是，OS内核会检测错误事件并发送信号给出错进程。
进程之间可以通过系统调用产生信号进行通信。

OS内核可以采用3种方式处理信号，一是直接忽略(KILL和STOP不能忽略)，二是自执行内核默认函数（对于未注册信号处理函数的信号，进程执行默认操作），三是执行信号处理函数（通过系统调用未特定信号注册处理函数，内核收到信号后会将信号编号作为参数调用该函数）

进程间信号通信机制是通过用户注册的信号处理函数实现的。
(3) 典型应用场景

• 进程的典型应用场景
  • 多任务操作系统：不同的应用程序作为不同的进程在系统中运行，用户可以同时打开多个应用程序进行操作，如同时运行文本编辑器、浏览器和音乐播放器等，操作系统通过进程调度算法合理分配CPU时间，使各个应用程序能够并发执行。
  • 服务器端程序：一个服务器程序通常以一个进程的形式运行，负责处理来自客户端的请求，如Web服务器、数据库服务器等，服务器进程会根据请求的类型和内容，调用相应的子进程或函数来完成任务，当请求处理完成后，子进程结束或者返回结果给主进程。
• 线程的典型应用场景
  • 多线程服务器：服务器程序使用多线程来处理客户端请求，当服务器接收到一个客户端请求时，就会创建一个线程来处理该请求，这样可以同时处理多个客户端请求，提高服务器的并发处理能力和响应速度，如Tomcat等Web服务器。
  • 图形用户界面程序：在图形用户界面程序中，通常会有一个主线程负责界面的绘制和事件的响应，当用户触发某个事件（如点击按钮、输入文本等）时，主线程会创建一个线程来处理该事件，避免主线程被长时间占用而导致界面卡顿，如Windows应用程序、Android应用程序等，主线程和事件处理线程之间通过消息队列等方式进行通信。