「操作系统」学习：（二）进程与线程 2.1 进程与线程

二、进程与线程

（一）进程与线程

1.进程的概念和特征

(1) 进程的概念

多道程序环境下，程序并发执行会失去封闭性，出现间断性和不可再现性，因此引入进程来描述和控制并发执行，实现操作系统的并发性与共享性。

进程实体（进程映像）：由程序段、相关数据段和 进程控制块（PCB） 三部分构成。

• PCB：是进程存在的唯一标志，用于描述进程的基本情况和运行状态，控制和管理进程。
• 创建 / 撤销进程的本质：创建 / 撤销进程实体中的 PCB。

进程的定义：

1. 程序的一次执行过程。
2. 程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 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独立单位。
4. 传统操作系统定义：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独立单位。

(2) 进程的特征

进程与程序是截然不同的概念，其基本特征如下：

1. 动态性：进程是程序的一次执行，有创建、活动、暂停、终止等生命周期，是动态产生、变化和消亡的，这是进程最基本的特征。
2. 并发性：多个进程可同存于内存，在一段时间内同时运行，这是进程和操作系统的重要特征。
3. 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位，未建立 PCB 的程序不能作为独立单位参与运行。
4. 异步性：进程按各自独立、不可预知的速度向前推进，异步性会导致执行结果不可再现，因此操作系统需配置相应的进程同步机制。

2.进程的状态与转换

进程的 5 种状态

1. 运行态：进程在处理机上执行。单处理机中任一时刻只有 1 个进程处于运行态。
2. 就绪态：进程已获得除处理机外的所有所需资源，只要获得处理机即可立即运行。多个就绪进程会排成就绪队列。
3. 阻塞态（等待态）：进程因等待某一事件（如 I/O 完成、等待资源）而暂停运行，即使处理机空闲也无法执行。多个阻塞进程会根据阻塞原因排成不同的阻塞队列。
4. 创建态：进程正在被创建，尚未转到就绪态。步骤为：申请空白 PCB → 填写控制信息 → 分配资源 → 转入就绪队列（若资源不足则保持创建态）。
5. 终止态：进程从系统中消失，可能是正常结束或因其他原因退出。系统会先将进程置为终止态，再处理资源回收和 PCB 释放等工作。

3 种基本状态间的转换：

1. 就绪态 → 运行态：处于就绪态的进程被调度程序选中，获得处理机时间片，开始执行。
2. 运行态 → 就绪态：进程的时间片用完，或有更高优先级进程进入就绪队列，调度程序将当前进程转为就绪态，让更高优先级进程执行。
3. 运行态 → 阻塞态：进程请求某一资源（如外设、系统调用）或等待某一事件（如 I/O 完成），主动放弃处理机，转为阻塞态。
4. 阻塞态 → 就绪态：进程等待的事件发生（如 I/O 操作完成、中断结束），由中断处理程序将其转为就绪态。

进程从运行态变为阻塞态是主动行为，而从阻塞态变为就绪态是被动行为，需要其他相关进程协助（如中断处理程序）。

就绪态和等待态是进程生命周期中最常见的两种状态，转换次数也最多。

3.进程的组成

(1) 进程控制块

本质与作用

• PCB 是操作系统为每个进程创建的核心数据结构，是进程实体的一部分，也是进程存在的唯一标志。
• 它常驻内存，贯穿进程的整个生命周期，系统通过 PCB 感知、控制和管理进程。

主要功能

• 存储进程的当前状态、优先级、程序和数据地址等关键信息。
• 用于进程调度、切换、同步、通信及文件访问等所有操作。
• 保存进程的处理机环境，确保进程被切换后能从断点继续执行。

核心组成部分

组织方式

• 链接方式：将同一状态的 PCB 链接成队列（如就绪队列、不同阻塞队列）。
• 索引方式：将同一状态的进程组织在一个索引表中，表项指向相应 PCB（如就绪索引表、阻塞索引表）。

(2) 程序段

程序段就是能被进程调度程序调度到 CPU 执行的程序代码段。

程序可被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序。

(3) 数据段

一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。

4.进程控制

在操作系统中，一般把程序控制用的程序段称为原语，原语的特点是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。

(1) 进程的创建

父子进程关系

• 父进程创建子进程，子进程可继承父进程资源；子进程撤销时归还资源，父进程撤销时通常一并撤销所有子进程。
• 触发场景：终端用户登录、作业调度、系统提供服务、用户程序请求等。

创建原语（步骤）

1. 分配唯一 PID，申请空白 PCB → PCB 不足则创建失败。
2. 分配运行资源（内存、文件、I/O、CPU 时间等）→ 资源不足则创建失败，进程处于创建态等待资源。
3. 初始化 PCB：标志信息、处理机状态 / 控制信息、优先级等。
4. 插入就绪队列，等待被调度运行。

(2) 进程的终止

1. 终止原因

   • 正常结束：任务完成，主动退出。
   • 异常结束：运行中出现错误（存储越界、保护错、非法指令、超时、算术运算错、I/O 故障等）。
   • 外界干预：操作员 / 系统干预、父进程请求、父进程终止等。

2. 终止原语（步骤）

   1. 根据标识符检索 PCB，读取进程状态。
   2. 若进程处于运行态，立即终止执行，释放处理机。
   3. 递归终止所有子孙进程。
   4. 回收全部资源，归还父进程或操作系统。
   5. 从所在队列（链表）中移除该 PCB。

(3) 进程的阻塞和唤醒

1. 阻塞（Block）

   • 触发条件：期待事件未发生（如请求资源失败、等待操作完成、数据未到、无新任务等）。
   • 本质：运行态进程主动调用阻塞原语，转为阻塞态，是进程的主动行为。

   • 阻塞原语步骤：

     1. 找到对应 PCB。
     2. 若为运行态，保护现场，转为阻塞态，停止运行。
     3. 插入对应事件的等待队列，释放处理机给其他就绪进程。

2. 唤醒（Wakeup）

   • 触发条件：期待事件出现（如 I/O 完成、数据到达），由相关进程调用唤醒原语。

   • 唤醒原语步骤：

     1. 在等待队列中找到对应 PCB。
     2. 移出队列，置为就绪态。
     3. 插入就绪队列，等待调度。

3. 注意事项

   • Block 与 Wakeup 是一对成对使用的原语，必须配对使用，否则阻塞进程可能永久无法唤醒。

5.进程的通信

(1) 共享存储

核心思想：在通信进程间开辟一块可直接访问的共享空间，通过对该空间的读写操作交换信息。

关键要点：

• 需要使用同步互斥工具（如 P、V 操作）控制读写。

• 分为两种方式：

  • 低级方式：基于数据结构的共享。
  • 高级方式：基于存储区的共享（操作系统提供共享空间和同步互斥工具，数据交换由用户自行安排）。
• 注意：进程空间通常独立，需通过特殊系统调用实现共享；进程内线程天然共享空间。

(2) 消息传递

核心思想：以格式化的消息为单位进行数据交换，隐藏通信细节，对用户透明，是当前应用最广泛的机制。

两种方式：

• 直接通信：发送进程直接将消息挂到接收进程的消息缓冲队列上。
• 间接通信：通过 “信箱”（中间实体）传递消息，广泛应用于计算机网络。

应用场景：微内核操作系统中，内核与服务器之间的通信即采用此机制，也适用于多处理机、分布式系统和计算机网络。

(3) 管道通信

核心思想：以生产者 - 消费者方式通信，数据在管道中先进先出（FIFO）。

关键机制：

• 管道为空时，读进程阻塞；管道写满时，写进程阻塞。
• 需提供互斥、同步和确定对方存在的协调能力。

Linux 中的管道：

• 本质是一种特殊文件，固定大小为 4KB 的缓冲区。
• 只能由创建进程的子进程访问，子进程继承父进程的管道。
• 普通管道为单向通信，双向通信需定义两个管道；数据读取为一次性操作，读取后释放空间。

6.线程和多线程模型

(1) 线程的基本概念

1. 引入线程的目的

• 引入进程是为了更好地实现多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。
• 引入线程则是为了减小程序并发执行的时空开销，进一步提升操作系统的并发性。

2. 线程的核心定义

• 线程可理解为 “轻量级进程”，是基本的 CPU 执行单元和程序执行流的最小单元。
• 线程由线程 ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成，是进程中的一个实体。
• 线程是被系统独立调度和分派的基本单位，自身不拥有系统资源，仅持有运行必需的少量资源，但可与同一进程内的其他线程共享该进程的全部资源。

3. 线程的基本特性

• 一个线程可以创建或撤销另一个线程。
• 同一进程中的多个线程之间可以并发执行。
• 线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态，运行时会因相互制约而出现间断性。

4. 进程与线程的内涵变化

• 引入线程后，进程的角色转变为除 CPU 外的系统资源分配单元。
• 线程则成为处理机的分配单元。
• 同一进程内的线程切换，时空开销远小于进程间的切换。

(2) 线程与进程的比较

(3) 线程的属性

1. 轻型实体

• 线程不拥有系统资源，但每个线程都有唯一标识符和线程控制块（TCB），用于记录寄存器、栈等执行状态。

2. 可执行相同程序

• 不同线程可以执行相同的程序代码，例如同一个服务程序被不同用户调用时，会被创建为不同的线程。

3. 共享进程资源

• 同一进程内的所有线程，共享该进程所拥有的全部资源（如地址空间、文件描述符等）。

4. 独立调度与并发执行

• 线程是处理机独立调度的基本单位，可并发执行。
• 单 CPU 系统中，线程交替占用 CPU；多 CPU 系统中，线程可并行占用不同 CPU，缩短进程整体处理时间。

5. 生命周期与状态变化

• 线程创建后即开始生命周期，直至终止，期间会经历阻塞态、就绪态、运行态等多种状态变化。

(4) 线程的状态与转换

• 执行状态
• 就绪状态
• 阻塞状态

(5) 线程的组织与控制

1. 线程控制块（TCB）

• 作用：与进程控制块（PCB）类似，用于记录和管理线程的控制信息。

• 主要内容：

  1. 线程标识符
  2. 一组寄存器（程序计数器、状态寄存器、通用寄存器）
  3. 线程运行状态
  4. 线程优先级
  5. 线程专有存储区（线程切换时保存现场）
  6. 堆栈指针（保存局部变量和返回地址）
• 资源共享：同一进程内的所有线程共享进程的地址空间和全局变量，可互相访问彼此的堆栈。

2. 线程的创建

• 线程具有生命周期，由创建而产生，由调度而执行，由终止而消亡。
• 用户程序启动时，通常只有一个初始化线程，负责创建新线程。
• 创建新线程时，需调用线程创建函数，并提供入口指针、堆栈大小、优先级等参数，函数返回线程标识符。

3. 线程的终止

• 线程完成任务或运行异常时，可调用终止函数结束运行；系统线程可能持续运行。
• 线程终止后，通常不会立即释放资源，需在其他线程执行分离函数后，资源才会被回收利用。
• 被终止但未释放资源的线程，可被其他线程调用并恢复运行。

(6) 线程的实现方式

1. 用户级线程（ULT）

• 管理方式：线程管理（创建、撤销、切换）全部在用户空间完成，内核完全感知不到线程的存在。
• 调度特点：系统仍以进程为单位进行调度，同一进程内的所有线程共享该进程的时间片。

• 优点：

  • 线程切换无需进入内核态，节省了模式切换开销。
  • 调度算法可由进程自定义，灵活性高。
  • 实现与操作系统平台无关，可移植性好。

• 缺点：

  • 一个线程执行系统调用导致阻塞时，整个进程内的所有线程都会被阻塞。
  • 无法利用多处理器优势，一个进程在同一时间只能有一个线程在 CPU 上执行。

2. 内核级线程（KLT）

• 管理方式：线程管理全部在内核空间完成，内核通过线程控制块（TCB）感知并控制线程。
• 调度特点：内核直接对线程进行调度，线程是独立的调度单位。

• 优点：

  • 能充分利用多处理器，同一进程的多个线程可并行执行。
  • 一个线程阻塞时，内核可调度同一进程内的其他线程执行。
  • 线程切换速度快、开销小。
  • 内核自身也可采用多线程技术，提升系统效率。

• 缺点：

  • 同一进程内的线程切换需要从用户态切换到内核态，系统开销相对较大。

3. 组合方式

• 实现机制：系统同时支持内核级线程和用户级线程，多个用户级线程可以复用同一个内核级线程。
• 优势：结合了 ULT 和 KLT 的优点，既可以利用多处理器，又能避免频繁的内核态切换，同时克服了各自的不足。

4. 主流线程库

• POSIX Pthreads：可提供用户级或内核级实现，是类 UNIX 系统的标准。
• Windows API：专用于 Windows 系统的内核级线程库。
• Java 线程 API：通常依赖宿主系统的线程库实现，在 Windows 上用 Windows API，在类 UNIX 系统上用 Pthreads。

(7) 多线程模型

1. 多对一模型（M:1）

• 映射方式：多个用户级线程映射到同一个内核级线程。
• 管理方式：线程调度和管理在用户空间完成，仅当访问内核时才绑定到内核级线程，且一次只允许一个线程映射。
• 优点：线程管理在用户空间进行，效率较高。
• 缺点：一个线程因内核访问阻塞时，整个进程都会阻塞；同一时刻只有一个线程能访问内核，无法利用多处理器并行。

2. 一对一模型（1:1）

• 映射方式：每个用户级线程都对应一个独立的内核级线程。
• 优点：一个线程阻塞时，可调度其他线程运行，并发能力强；支持多处理器并行执行。
• 缺点：创建用户线程时需同步创建内核线程，系统开销较大。

3. 多对多模型（M:N）

• 映射方式：将 n 个用户级线程映射到 m 个内核级线程（n ≥ m），通过复用内核线程实现。

• 特点：

  • 克服了多对一模型并发度不高的问题。
  • 避免了一对一模型中线程创建开销过大的缺点。
  • 结合了前两种模型的优点，在并发能力和系统开销之间取得了平衡。