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