本篇笔记课程来源：王道计算机考研 操作系统

一、进程的概念

1. 概念

程序和进程的区别：

• 程序：是静态的，就是个存放在磁盘中的可执行文件，是一系列的指令集合。
• 进程：是动态的，是程序的一次执行过程。
• 同一个程序多次执行会对应多个进程。

在引入进程实体的概念后，可把进程定义为：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。

• 一个进程被调度，就是指操作系统决定让这个进程上CPU运行。

2. 组成

进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的；可以理解为进程实体是进程在动态执行的过程中某一时刻的状态、快照。
一个进程实体（进程映像）由 PCB、程序段、数据段 组成。

• PCB是给操作系统用的；
• 程序段、数据段是给进程自己用的
• 同一个程序执行多次，它们的PCB、数据段各不相同，但程序段的内容是相同的。

PCB（Process Control Block）：是一个保存进程信息的数据结构，也是进程存在的唯一标志，即进程控制块。当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB：

• 当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的进程ID（Process ID）PID。
• 操作系统记录基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程。记录包括PID、进程所属用户ID（UID）
• 操作系统实现对资源的管理，记录分配的资源（内存、IO设备、文件资源等）
• 操作系统实现对进程的控制和调度，记录进程的运行情况（CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）
• 记录处理机相关信息，如PSW（程序状态字寄存器）、PC（程序计数器）等各种寄存器的值（用于实现进程切换）

操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。

程序段：

• 包含程序指令，即程序的代码（指令序列）

数据段：

• 包含运行过程中产生的各种数据（如：定义的变量）

3. 特征

程序时静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征

二、进程的状态与转换、组织

1. 进程的状态

进程的整个生命周期中，大部分时间都处于运行态、就绪态、阻塞态，因此它们是进程的三种基本状态。

• 单核CPU同一时刻只会有一个进程处于运行态，多个CPU可能有多个进程处于运行态。
• 在PCB中，会有一个变量state来表示进程的当前状态。

1. 创建态

   • 当进程正在被创建时，它的状态是“创建态”。
   • 在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB。

2. 就绪态

   • 当进程创建完成后，便进入“就绪态”。
   • 处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，暂时不能运行。
   • 系统中可能会有很多个进程处于就绪态。

3. 运行态

   • 当CPU空闲时，操作系统就会选择一个就绪进程，让它上处理机运行。
   • 如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程处于“运行态”。CPU会执行该进程所对应的程序（执行指令序列）

4. 阻塞态

   • 在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或等待其他进程的响应）。
   • 在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入“阻塞态”。

5. 终止态

   • 一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程，此时进程会进入”终止态“。
   • 操作系统会让该进程下CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB。当终止进程的工作完成之后，这个进程就彻底消失了。

2. 进程状态间的转换

不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态。（因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求）

截图来源于 P13 2.1_2_进程的状态与转换、进程的组织 09:48

3. 进程的组织

为了对同一状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来。

组织方式有：链接方式（常用）、索引方式。

1. 链接方式

   • 按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针。
   • 执行指针指向当前处于运行态的进程
   • 就绪队列指针指向当前处于就绪态的进程，通常会吧优先级高的进程放在队头
   • 阻塞队列指针指向当前处于阻塞态的进程。某些操作系统会根据阻塞原因不同，再分为多个阻塞队列。

2. 索引方式

   • 根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针。

三、进程控制

1. 概念

• 进程控制的主要功能：对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

• 简化理解：进程控制就是要实现进程状态转换。

2. 如何实现进程控制

• 使用 ”原语“ 实现进程控制
  • 原语：是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。即程序执行过程必须一气呵成，期间不允许被中断。
  • 如果不能一气呵成，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。
• 使用 ”关中断指令“ 和 ”开中断指令“ 这两个特权指令实现原子性。
  • CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。
  • 关中断、开中断之间的指令序列不可被中断，这就实现了原子性。

3. 进程控制相关的原语

1. 进程的创建：操作系统创建一个进程时使用 创建原语
   • 状态转换：创建态 → 就绪态
   • 过程：
     1. 申请空白PCB
     2. 为新进程分配所需资源
     3. 初始化PCB
     4. 将PCB插入就绪队列
   • 引起进程创建的事件
     1. 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程
     2. 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其创建一个新的进程
     3. 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求
     4. 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程

2. 进程的终止：终止一个进程时使用 撤销原语
   • 状态转换：就绪态 / 阻塞态 / 运行态 → 终止态 → 无
   • 过程：
     1. 从PCB集合中找到终止进程的PCB
     2. 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
     3. 终止其所有子进程：进程间的关系是树形结构
     4. 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
     5. 删除PCB
   • 引起进程终止的事件：
     1. 正常结束：进程自己请求终止（exit 系统调用）
     2. 异常结束：整数除以0、非法使用特权指令
     3. 外界干预：用户杀掉进程

3. 进程的阻塞：阻塞原语 必须和唤醒原语成对使用。
   • 状态转换：运行态 → 阻塞态
   • 过程：
     1. 找到要阻塞的进程对应的PCB
     2. 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行
     3. 将PCB插入相应事件的等待队列
   • 引起进程阻塞的事件
     1. 需要等待系统分配某种资源
     2. 需要等待相互合作的其他进程完成工作

4. 进程的唤醒：唤醒原语 必须和阻塞原语成对使用。
   • 状态转换：阻塞态 → 就绪态
   • 过程：
     1. 在事件等待队列中找到PCB
     2. 将PCB从等待队列中移除，设置进程为就绪态
     3. 将PCB插入就绪队列，等待被调度
   • 引起进程唤醒的事件：
     1. 等待的事件发生

5. 进程的切换：切换原语
   • 状态转换：运行态 → 阻塞态 / 就绪态、就绪态 → 运行态
   • 过程：
     1. 将运行环境信息存入PCB
     2. PCB移入相应队列
     3. 选择另一个程序执行，并更新其PCB
     4. 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
   • 引起进程切换的事件：
     1. 当前进程时间片到
     2. 有更高优先级的进程到达
     3. 当前进程主动阻塞
     4. 当前进程终止

四、进程通信

1. 概念

• 进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）：是指两个进程之间产生数据交互。
• 进程通信需要操作系统支持 —— 进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
• 进程通信的方式有很多，这里写三个：共享存储、消息传递、管道通信。

2. 共享存储

• 共享存储通过操作系统在内存中开辟共享存储区，进程访问共享存储区实现进程通信。
• 为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的（只能有一个进程访问共享空间）；各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如 P、V 操作）。
• 在 Linux 中，实现共享存储：
  1. 通过 shm_open 系统调用，申请一片共享内存区
  2. 通过 mmap 系统调用，将共享内存区映射到自己的地址空间
• 共享存储的方式：基础数据结构的共享、基于存储区的共享
  1. 基于数据结构的共享：比如共享空间内只能放一个长度为 10 的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。
  2. 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度快，灵活性高，是一种高级通信方式。

3. 消息传递

• 消息传递：进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的 “发送消息 / 接收消息” 两个原语进行数据交换。

  • 格式化的消息包括：消息头和消息体，消息头包括发送进程ID、接受进程ID、消息长度等格式化的信息。
  • 发送原语 send、接收原语 receive。

• 消息传递的方式：直接通信方式、间接通信方式

  1. 直接通信方式，消息发送进程要指明接受进程的ID。发送进程使用发送原语后，操作系统内核会将消息挂载（复制）到接收进程的PCB消息队列中，接收进程使用接收原语将消息复制到它的地址空间中。
  2. 间接通信方式，也称 “信箱通信方式”，以 “信箱” 作为中间实体进行间接地通信。可以多个进程往同一个信箱 send 消息，也可以多个进程从同一个信箱中 receive 消息。

4. 管道通信

• “管道” 是一个特殊的共享文件，又名 pipe 文件。其实是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区（理解为循环队列）。
• 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
• 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）
• 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。
  当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
• 只要管道没空，读进程就可以从管道读数据；
  只要管道美满，写进程就可以往管道写数据。
• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，不同操作系统有不同的解决方案：
  1. 一个管道允许多个写进程，一个读进程（一般选这个）
  2. 允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据

五、线程

1. 概念

• 有的进程可能需要“同时”做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了“线程”，来增加并发度。
• 线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

2. 引入线程的变化

引入线程机制后，带来的变化

1. 传统的进程是程序执行流的最小单位，引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。
2. 资源分配、调度：
   • 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位
   • 引入线程后，进程是资源分配的基本单位（除CPU之外的系统资源的分配单元），线程是调度的基本单位
3. 并发现：
   • 传统进程机制中，只能进程间并发
   • 引入线程后，各线程间也能并发，提高了并发度
4. 系统开销：
   • 传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大
   • 引入线程后，线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销减小

3. 线程属性

1. 线程是处理机调度的单位，但线程几乎不拥有系统资源，系统资源几乎分配给进程
2. 多核CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
3. 每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB）
4. 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
5. 同一进程的不同线程间共享进程的资源（IO设备、内存地址空间），由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
6. 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换，因此系统开销小；不同进程中的线程切换，会引起线程切换，系统开销大。

4. 线程的实现方式

线程实现方式有两种，分别是用户级线程和内核级线程。用户级线程中的”线程“由线程库实现（操作系统依然只支持进程）。内核级线程由操作系统支持，此时线程才成为处理机分配的单位。

1. 用户级线程（User-Level Thread，ULT）
   • 用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）
   • 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预
   • 在用户看来，是由多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。用户级线程就是从用户视角看能看到的线程。
   • 优点： 用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
   • 缺点： 当一个用户级线程阻塞后，整个线程都会被阻塞，并发度不高，多个线程不可在多个处理机上并行运行，
2. 内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT，又称“内核支持的线程”），大都数现代操作系统都实现了内核级线程，如 Windows，Linux。
   • 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。
   • 线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
   • 操作系统会为每个内核级线程建立相应的 TCB（Thread Control Block，线程控制块），通过TCB对线程进行管理。“内核级线程” 就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”
   • 优点： 当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强，多线程可在多核处理机上并行执行。
   • 缺点： 一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

5. 多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系（引入线程库），可以划分为多种多线程模型。

1. 一对一模型：

   • 一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
   • 优点： 当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
   • 缺点： 一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
     

2. 多对一模型：

   • 多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程（更像用户级线程）。
   • 优点： 用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。
   • 缺点： 当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。
     

3. 多对多模型：

   • n个用户及线程映射到 m 个内核级线程 （n >= m）。每个用户进程对应 m 个内核级线程。
   • 优点： 集二者之所长，克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点；也克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞）
   • 可以理解为：用户级线程是 ”代码逻辑“ 的载体，内核级线程是 ”运行机会“ 的载体。一段 ”代码逻辑“ 只有获得了 ”运行机会“ 才能被执行。
     

6. 线程的状态与转换

• 线程的状态与转换 与 进程的状态与转换 类似。
• 线程的状态只需关注 就绪态、运行态、阻塞态。
  

7. 线程的组织与控制

• 给各个线程建立的数据结构，就是线程控制块（TCB）。每个 TCB 包括

其中 程序计数器、其他寄存器、堆栈指针 是线程切换时要保存 / 恢复的数据。

• 按照需求，多个线程的 TCB 可组织成一张线程表（Thread Table）
• 线程的控制，就是让线程在各个状态间切换。与进程类似。