OS学习笔记-11（清华大学慕课）进程与线程

为什么要引入进程概念？

多道程序环境下，为了使多个程序更好地并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。

进程与程序的联系与区别

进程的组成

PCB(进程控制块)
程序段
数据段
通用寄存器
状态寄存器

PCB的组成

进程描述信息
进程控制和管理信息
资源分配清单
处理机相关信息

程序段

多个进程可以共享一个程序代码段，即一个程序多次执行对应多个进程

数据段

装进程的原始数据，执行中产生的中间或最终结果

进程的状态

共有5个状态

创建态
就绪态
运行态
阻塞态
终止态

进程控制
操作系统有进程控制的程序段，会完成对进程的创建，撤销已有进程，实现进程状态转换等功能。我们称这个程序段为原语，它的特点是执行过程中不允许打断。

进程的创建

允许一个进程创建另一个进程
创建进程时会分配一个进程号，并申请一个PCB。由于PCB有限，所以可能会创建失败
给进程分配资源，包括：程序段所需内存空间，数据段所需内存空间，用户栈所需内存空间
初始化PCB，如设置进程优先级
如果就绪队列能接纳新进程，则放入就绪队列

进程的终止

正常结束
异常结束
外界干预

进程的阻塞和唤醒

需要阻塞时执行阻塞原语（block），保护现场，修改PCB状态为阻塞态，将PCB插入等待队列
需要唤醒时调用唤醒原语（wakeup），在等待队列中找到PCB,修改为就绪态，将PCB插入就绪队列

进程切换与调度
切换和调度不同，切换是指实际分配的行为，在进程间切换；调度指的是将资源分配给某进程的行为。

进程的通信
pv操作是低级通信方式，高级通信是指较高速率传输大量数据，包括下面三种方式：

共享存储：操作系统会提供一段共同的数据段内存空间，你们两一起用，但要符合P,V操作规定进行。此时读写操作隔离。
消息传递：两个进程数据段的物理地址是独立的，通过直接发消息的方式传递数据。
管道通信：使用连接读进程和写进程的pipe文件，像一条（半双工通信）输血管一样插在两个进程上。可以理解为共享存储的优化与发展，缓冲区（linux下4KB大小）（输血管）虽然只允许一边读一边写，但却可以同时进行。

为什么要引入线程

引入进程是为了多道程序更好地并发执行，增加并发程度；引入线程是为减少程序并发执行过程中产生的时间和空间上的开销，提高并发性能。

线程的概念

“轻量级进程”，cpu执行流的基本单位
本身没有资源，但可以和其他线程共享进程资源
一个进程可以创建多个线程，一个线程可以创建和撤销另一个线程
同一个进程的线程可以并发执行
线程也有就绪、阻塞和运行态
进程是除cpu外的系统资源的单元，线程是cpu的分配单元
两个线程在同一个进程里切换需要很少的时空开销

线程与进程的比较

在现在的操作系统中，线程是cpu独立调度的最小单元，进程是拥有资源的最小单元
线程切换可能会引起进程切换，即：在同一个进程里的线程切换不会引起线程切换，不同进程里的线程切换必然会引起进程切换。进程只能被动切换。
不同进程间的线程不可见
进程之间通信使用：共享内存，消息传递，管道通讯，线程之间的通信使用全局变量即可
进程在执行，实际上是其下的某线程在执行

线程的组成

有唯一的标识符和一个线程控制块，线程控制块记录了线程执行的寄存器和栈等现场信息
多个线程可以执行一个程序，多个用户调用同一程序时会创建多个线程
同一进程的多个线程共享该进程资源
线程是cpu的调度单位，在单cpu计算机中，多个线程交替占用cpu；在多核多线程cpu中可以多个线程占用不同cpu，如我的电脑是6核12线程，即最多同时12个线程一起跑
与进程相似，线程的生命周期也是创建、等待、就绪、执行、终止状态
由于线程切换不一定会切换进程，所以可以提高系统的并发性

线程的实现

有两种线程实现方式

用户级线程
内核级线程

对应关系
目前主要用第一种

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