进程与线程

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遥远的笔记
也没有写完
备份一下吧
以后还得复习呢

进程

进程的概念

进程的几个定义

  • 一个正在执行的程序
  • 一个正在计算机上执行的程序实例
  • 能分配给处理器并由处理器执行的实体
  • 由一组执行的指令、一个当前状态和一组相关的系统结构表征的活动单元
  • 系统进行资源分配的基本单位
  • 操作系统的基础
  • 线程的容器

进程的两个基本元素

  • 程序代码（prognam code）：可能被执行相同程序的其他进程共享
  • 与代码相关的数据集（set of data）：当处理器开始执行一个程序，我们把这个执行实体称为一个进程

进程元素

  • 标识符
  • 状态
  • 优先级
  • 程序计数器
  • 内存指针
  • 上下文数据
  • I/O状态信息
  • 记账信息（审计信息）

以上列表信息存在一个称为进程控制块（process control block，PCB）的数据结构中。

进程与程序

进程与程序之间的关系

  • 进程是运行的程序在操作系统中的抽象。
    • 程序=文件(静态可执行文件)
    • 进程=运行程序=程序+运行状态
  • 一个被多次执行的程序可能对应于多个进程。
  • 进程执行需要比程序更多的资源
    • 存储指令和数据的存储器。
    • 执行指令的CPU
    • 以及其他资源

      进程和程序之间的区别

      进程 程序
      主动性 主动 被动
      一组有序的代码 正在执行的程序
      时间 短期，动态，不断变化并很快结束的过程 长期，静态，可长时间保存
      成分 进程=程序+数据+PCB
      一个程序可对应多个进程；通过调用，一个进程可包括多个程序

进程的状态与转换

进程轨迹和分派器(调度器)

轨迹

  • 列出为进程而执行的指令序列，可描述单个进程的行为
  • 给出各个进程轨迹的交替方，就可描述处理器的行为

分派器/调度器

  • 使处理器切换进程，调度程序

两状态进程模型

进程的两种状态

  • 运行态
  • 未运行态

两状态
队列图

五状态进程模型

五状态

  • 就绪态：进程已在内存中并可以执行
  • 阻塞态：进程已在内存中并等待一个事件
  • 阻塞/挂起态：进程已在外存中并等待一个事件
  • 就绪/挂起态：进程已在外存中，但只要载入内存就可执行

被挂起的进程

在我们使用ctrl+z强制进程挂起时，是怎么让操作系统认为该进程需要挂起的？ 为什么再次执行该程序会有xxx busy的报错？ 进程挂起后恢复，之前的数据如何恢复 进程在挂起状态是否仍在执行，为何进程在挂起状态仍然会占用总线

挂起进程的特征

  • 不能立即被执行
  • 为阻止进程执行，可以通过代理把这个进程置于挂起态
    • 代理可以是进程本身，也可以是父进程或操作系统。
  • 进程可能在或者不在等待事件
  • 除非代理显式地命令系统进行状态转换，否则进程无法从这一状态中转移。

进程挂起的原因

p81

事件 说明
交换
其他OS原因
交互式用户请求
定时
父进程请求
交换
  • 涉及将整个进程的一部分从主内存移动到磁盘
  • 当主内存中没有一个进程处于就绪状态时，操作系统会将其中一个被阻塞的进程交换到磁盘上的挂起队列中

进程描述

进程控制

原语

  • 定义：进程控制用的程序段
  • 特点：执行期间不允许中断，是一个不可分割的

进程创建

父进程与子进程

允许一个进程创建另一个进程
父进程：创建者
子进程：被创建的进程

  • 子进程可以继承父进程所拥有的资源
  • 子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的资源还给父进程
  • 撤销父进程时，同时撤销所有的子进程

导致创建进程的操作

  • 终端用户登录系统
  • 作业调度
  • 系统提供服务
  • 用户程序的应用请求

创建原语

  1. 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB（PCB有限）。若PCB申请失败，则创建失败
  2. 为进程分配其运行所需的资源（内存、文件、I/O设备、CPU时间等），从操作系统或者父进程获得。
    若资源不足，处于创建态，等待内存资源
  3. 初始化PCB
  4. 若进程就绪队列能够接纳新进程，则将新进程插入就绪队列，等待被调度运行

进程终止

  • 一个进程必须有一种方法来表明它的完成
  • 批处理作业中应该包含一个Halt 指令或一个操作系统显式服务调用用于终止
  • 对交互式应用程序，用户的行为将指出何时进程完成，(例如，退出登录, 退出应用程序)
  • 当进程终止的时候，操作系统要回收这个进程占用的内存。

导致终止进程的操作

  • 正常结束
  • 异常结束：存储区越界、保护错、非法指令、特权指令错、运行超时、算数运算错、I/O故障等
  • 外界干预：操作员或操作系统干预、父进程请求和父进程终止

终止原语

  1. 根据被终止进程的标识符，检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态
  2. 若被终止进程处于运行状态，立即终止该进程的执行，将CPU资源分配给其他进程
  3. 若该进程还有子孙进程，则通常需将其所有子孙进程终止
  4. 将该进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给操作系统
  5. 将该PCB从所在队列（链表）中删除

进程派生

线程

进程与线程

进程与线程的对比

特性 进程 线程
目的 多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量 减小程序在并发执行时所符出的时空开销，提高操作系统的并发性能
单位 拥有资源和独立调度的基本单位 不拥有系统资源访问隶属进程的系统资源，独立调度的基本单位，实际运作单位
开销 分配回收PCB及其他资源，开销大 保存设置少量寄存器的内容，开销小
并发性 不同进程并发、一个进程的多个线程并发 不同进程的线程并发
独立性 地址空间和资源独立而不准其它进程访问（除了共享全局变量） 共享进程的地址空间和资源
多处理器 单线程进程只能运行在1个CPU上 多线程进程可以运行在多个CPU上

并发：互斥和同步

信号量机制

整型信号量

  1. 公有信号量：实现进程的互斥，初始为1或者资源的数目
  2. 私有信号量：实现进程间的同步，初值为0或者某个正整数

信号量S的物理意义

  • S>=0:对应资源的可用数
  • S<0:绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数

PV操作

P操作：申请一个资源

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Precedure P(Var S:Semphore);
Begin
    S:=S-1;
    If S<0 then W(S) {执行P操作的进程插入等待队列}
End;

V操作：释放一个资源

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5
Precedure V(Var S:Semphore);
Begin
    S:=S+1;
    If S<=0 then R(S) {从阻塞队列中唤醒一个进程}
End;

PV操作实现进程的互斥

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3
P(mutex)
临界区
V(mutex)

PV操作实现进程的同步

协调进程之间相互制约的关系

实战经验

Unix-C

Python

Unity