1.进程与线程
1.1.进程的概念
1.进程：程序的一次执行过程
2.PCB（Process Control Block）：进程控制块
3.进程实体（进程映像）由PCB、程序段和数据段组成
进程实体反应了进程某个时刻的状态，因此，进程是动态的，进程实体是静态的
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
4.同一个程序被打开多次，则被建立多个不同的进程，它们的程序段相同，而PCB和数据段不同
1.2.进程的特征
1.3.进程的状态
1.创建态：为进程分配资源、初始化PCB
2.就绪态：创建完成后，进入就绪态（除处理机外的资源都具备）（CPU忙，无法为该进程服务）；可能有多个就绪态；CPU空闲时，选择一个就绪进程运行
3.运行态：在CPU上运行的进程
4.阻塞态：进程运行过程中，可能会请求某个事情的发生（既没有处理机资源，也没有某种系统资源）（主动，等待某种系统资源的分配），操作系统就会剥夺该进程CPU的使用权，使其进入阻塞态（同时CPU就会进入空闲状态，从而选择另外一个处于就绪态的进程执行）；若该进程等待的事情处理完成后，该进程就重新从阻塞态变为就绪态
5.终止态：进程可以通过执行exit系统调用，请求操作系统终止该进程，同时该进程进入终止态；操作系统剥夺该进程CPU的使用权，回收内存空间等系统资源，并回收该进程的PCB
6.PCB中有一个变量state表示当前进程的状态
1.4.进程状态的转换
1.就绪态→运行态：
处于就绪态的进程被调度后，获得处理机资源，于是进程由就绪态切换为运行态
2.运行态→就绪态：
情况1：处于运行态的进程在时间片用完后，不得不让出处理机，进而转换为就绪态
情况2：在可剥夺的操作系统中，当有更高优先级的进程就绪时，调度程序将正在执行的进程转换为就绪态，让更高优先级的进程执行
3.运行态→阻塞态（主动行为）
进程请求某一资源（如外设）的使用或等待某一事件的发生（如I/O操作的完成）时，它就从运行态转换为阻塞态
进程以系统调用的形式请求操作系统提供服务，这是一种特殊的，由用户态程序调用操作系统内核过程的形式
4.阻塞态→就绪态（被动行为：需要其他相关进程的协助）
进程等待的事件到来，如I/O操作结束或中断结束时，中断处理程序必须把相应进程的状态由阻塞态转换为就绪态
1.5.进程控制
1.PCB的state中连接各种不同的进程状态：
①通过指针的方式
②通过索引表方式
2.进程的控制需要用原语：原语的执行具有原子性（通过关中断指令、开中断指令的方式，实现期间不可被中断）
进程在控制过程中，需要两步操作（设采用指针方式）：
①修改PCB中的state ②将阻塞队列放到就绪队列
如果不采用原语，则可能发生第一步完成后，就转向处理中断
3.原语：原语的执行具有原子性（通过关中断指令、开中断指令的方式，实现期间不可被中断）
①创建原语：创建态→就绪态
（1）申请空白PCB：创建PCB（PCB是进程存在的唯一标志）
（2）为进程分配所需资源：内存空间等
（3）初始化PCB：分配PID、设置UID等
（4）将PCB插入就绪队列：创建态→就绪态
②引发创建原语的事件：
（1）用户登录：用户登陆成功后，系统将会建立一个新的进程
（2）作业调度：从外存中挑选一个进程放入内存中运行
（3）提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，新建一个进程处理该请求
（4）应用请求：用户进程主动请求创建子进程
③撤销原语：就绪态/阻塞态/运行态→终止态→无
（1）找到该进程的PCB
（2）若该进程正在运行，剥夺其CPU的使用权，并将CPU分配给其他进程
（3）终止其所有子进程，并将其资源归还给父进程或操作系统
（4）删除PCB
④引发撤销原语的事件：
（1）正常结束：进程自己请求终止（exit系统调用）
（2）异常结束：整数除0、非法使用特权命令（异常）
（3）外界干预：用户选择关闭进程（任务管理器结束）
⑤阻塞原语：运行态→阻塞态
（1）找到该进程的PCB
（2）运行进程保护现场，将PCB中的信息改为阻塞态，暂停进程运行
（3）将PCB插入相应事件的等待序列
⑥引起阻塞原语的事件：
（1）需要等待某种系统资源的分配
（2）需要等待合作进程
⑦唤醒原语：阻塞态→就绪态
（1）找到该进程的PCB
（2）将PCB中从等待序列中删除，将PCB中的信息改为就绪态
（3）将PCB插入就绪队列，等待被调度
⑧引起唤醒原语的事件：等待的事件发生（引起该进程阻塞的事件）
（阻塞原语和唤醒原语成对出现）
⑨切换原语：进程A：运行态→就绪态；进程B：就绪态→运行态（两个进程状态改变）
（1）将运行环境信息（某些寄存器中的内容，PSW、PC等）存入PCB，将PCB插入相应序列
（2）选择另一个进程运行，并更新其PCB（例如状态信息），并根据其PCB恢复运行环境信息
⑩引起切换原语的事件：
（1）当前进程时间片到
（2）有更高优先级的进程出现（可剥夺系统）
（3）当前进程主动阻塞
（4）当前进程终止
1.6.进程通信
1.各进程的内存地址空间相互独立
2.一个进程不可以直接访问另一个进程的地址空间
1.6.1.共享存储
1.开辟一个公共的地址空间用于信息交换（对于该公共空间进行操作必须是互斥的，例如PV）
2.基于数据结构（低级通信）：限制多，速度慢（例如数组）
基于存储区（高级通信）：操作系统只负责划分出一块内存区域用于共享存储，而如何共享存储区中数据的形式、数据如何存放等细节问题由进程决定，因此限制少，速度快
1.6.2.消息传递
1.进程间的数据交换以格式化的消息为单位
2.格式化的消息由消息头和消息体构成
消息头（概要信息）：由发送进程ID（由谁发送）、接受进程ID（发送给谁）、消息长度（整个消息的长度）等格式化的消息
消息体（具体信息）：具体的数据
3.（1）直接通信方式：发送方进程需要指明接收方进程的ID（指明由谁接受）
设发送方为p，接收方为q
①p通过发送原语将消息发送到q（指明接收方）的pcb的消息队列中（q的pcb在操作系统内核的地址空间）
②通过接受原语将消息从pcb的消息队列中找到p（指明发送方）发来的消息，并取到q的地址空间中
（2）间接通信方式：通过“信箱”间接通信，指明信箱（因此又称信箱通信方式 ）
①信箱存放在操作系统内核的地址空间中
②发送方指明发往哪个信箱；接收方指明从哪个信箱中接收
1.6.3.管道通信
1.数据的流向只能是单向（半双工通信），如果需要进行双向数据传输，则需要两个管道
2.管道是一个特殊的文件（本质是在内存中开辟一个大小固定的内存空间）：管道满时，写阻塞；管道空时，读阻塞
3.管道和共享存储的区别：共享存储方式中，数据的读/写的在地址空间的位置是任意的；管道需要遵循FIFO的方式按顺序读/写（本质上是循环队列）
4.进程对管道的访问是互斥的
5.允许多个写进程，仅允许一个读进程
1.7.线程的概念
1.线程是程序执行流的最小单位（每个线程可以对应不同的代码，并发执行），也是基本的CPU执行单元（CPU调度/服务的对象为线程）——即线程是调度的基本单位
2.进程是除CPU外的系统资源的分配单元（系统资源是分配给进程的，而不是分配给线程）——即进程是资源分配的基本单位
3.进程间（切换系统开销大）、线程间（切换系统开销小）都可以并发
4.线程可以占用不同的CPU
5.每个线程都有线程ID（对应进程ID）、线程控制块TCB（对应进程的PCB）
6.线程有就绪、阻塞和运行三种状态
7.线程几乎不拥有系统资源（进程是资源分配的基本单位）：线程使用进程的系统资源，同一进程的不同线程共享系统资源
8.共享内存地址空间→线程间通信无需系统干预
9.同一进程间的线程切换，不引起进程切换（系统开销小）；不同进程间的线程切换，引起进程切换（系统开销大）
9.内核级线程是处理机分配的基本单位（操作系统能意识到的只有内核级线程）
1.8.线程的实现方式和多线程模型
1.8.1.用户级线程
1.程序员自己写一个程序库实现逻辑上的线程，操作系统的视角只看得到进程（因此操作系统意识不到用户级线程的存在）
2.线程的管理工作由应用程序完成（通过线程库）
3.优点：线程的切换不需要操作系统参与，由应用程序完成，因此不需要变态
4.缺点：①当一个用户级线程被阻塞后，整个程序都会被阻塞（程序需要按代码顺序执行）
②多个线程不可以在多核处理机上运行（操作系统的视角下只能看到进程，因此，此时操作系统的基本调度单位仍然是进程，而非线程）
1.8.2.内核级线程（一对一模型）
1.线程的管理工作由操作系统完成
2.线程的切换需要CPU变态（线程的调度和切换等需要内核负责）
3.操作系统能够意识到内核级线程的存在（操作系统为每个内核级线程建立相应的TCB）
4.优点：①当一个线程被阻塞后，其余线程仍可工作（每个用户线程都有相对的内核级线程）
②多个线程可以在多核处理机上运行（操作系统可以意识到内核级线程的存在，此时，线城是调度的基本单位）
5.缺点：线程切换需要变态，系统开销大
1.8.3.多线程模型——多对一模型
1.8.4.多线程模型——多对多模型
1.9.线程的状态与转换
1.线程的状态转换和对应的进程转换一致
2.线程切换时需要保存/恢复：PC（程序执行到哪）、其他寄存器（程序当前运行的结果）和堆栈指针（下处理机保存到PCB，上处理机从PCB中恢复）
①堆栈用于保存函数调用信息，例如A调用B、B调用C和函数返回地址，即C执行完后应返回B的哪一句代码等
②堆栈还用于保存局部变量
③堆栈是内存中一个很大的地址空间，保存堆栈指针可以使得我们找到该程序在堆栈中的哪个位置
