重学操作系统(二)进程管理

2. 进程管理

2.1 进程的定义、组成、组织方式、特征

2.1.1 进程的定义

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程，例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，，实质上是撤销进程实体中的PCB。注意：PCB是进程存在的唯一标志！

从不同的角度，进程可以用不同的定义，比较传统的典型的定义有：

• 进程是程序一次的执行过程。
• 进程是一个程序及其数据在处理机（CPU）上顺序执行时所发生的活动。
• 进程时具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

所有的定义，就是都强调进程的动态性。

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。

注意：严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。不过一般来说都可以认为进程就是进程实体。因此我们可以说：进程是由程序段、数据段和PCB三部分组成的。

2.1.2 进程的组成

进程（进程实体）由程序段、数据段、PCB三部分组成。

2.1.3 进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百万乃至数千个PCB。为了能够对它们加以有效的管理，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。

注意：进程的组成讨论的是一个进程内部有哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。

2.1.3.1 链接方式

2.1.3.2 索引方式

2.1.4 进程的特征

进程和程序是两个截然不同的概念，相比于程序，进程拥有以下特征：

2.1.5 总结

2.2 进程的状态与转换

2.2.1 进程的状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时有需要等待CPU服务，可见，进程的状态会有各种变化。为了方便讨论各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

进程的三种基本状态：

需要注意的是：

• 对于运行态：注意：单核处理机环境下，每一个时刻最多只有一个进程处于运行态。（双核环境下可以同时有两个进程处于运行状态）。
• 对于就绪态：进程已经拥有了除处理机（CPU）之外有需要的资源，一旦获得处理机，即可立即进入运行态开始运行。即：万事具备，之欠CPU。
• 对于阻塞态：比如进程在运行的过程中，会请求操作系统给他分配打印机、等待磁盘操作的结果。CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，需要将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务。

另外的两种状态：

首先，一个程序想要在计算机上运行的话，在他开始开始运行之前，其实操作系统需要做一些新建进程初始化的工作，需要为这个新的进程分配他所需要的内存空间等系统资源，并为其创建初始化PCB（如：为进程分配PID）。等到一系列的工作做完之后，进程才会正式的被投入到运行。

而这个过程就叫做进程的创建态。

当进程运行结束（或者由于bug导致进程无法继续执行下去，比如数组越界错误），需要撤销进程，这个过程就叫做进程的终止态。而撤销进程不是一瞬间完成的，操作系统需要回收分配给这个进程的资源，另外还需要回收分配给这个进程的内存区域，最后删除进程的PCB程序控制块，这样的话才完成进程撤销的工作。

所以进程除了最基本的状态，还有另外两种状态：

思考：什么情况下需要转换进程状态？

2.2.2 进程状态间的转换

首先，我们从进程从无到有说起：

2.2.3 小结

2.3 进程控制

2.3.1 基本概念

2.3.1.1 什么是进程控制

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

简化理解：反正进程控制就是实现进程状态转换。

2.3.1.2 如何实现进程控制

比如，从终止态到就绪态转换的时候，需要进行修改PCB内容和并把它添加到就绪队列中，但是此时由于某种异常导致进程并没有被添加到就绪队列，就导致进程的PCB内容和就绪队列的信息不一致，就会出现系统异常。

为了解决上述的问题。操作系统用原语实现进程控制。原语的特点是执行期间不允许被中断，只能一气呵成。这种不可被中断的操作即原子操作。原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。

2.3.2 进程控制相关的原语

学习技巧：进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个原语，要做的无非三类事情：

• 更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境）

• • 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
  • 剥夺当前运行进程的CPU使用权，保存当前线程的运行环境信息到PCB
  • 某进程开始运行前必然要恢复期运行环境

• 将PCB插入合适的队列

• 分配/回收资源

2.3.3 小结

2.4 进程通信

顾名思义，进程通信就是指进程之间消息交换。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。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。比如，共享存储、消息传递、管道通信。

2.4.1 共享存储

两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现）。操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P、V操作）。

对于共享存储有两种类型的共享。

基于数据结构共享：比如空想空间只能放一个长度为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。

基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程空坠，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

2.4.2 管道通信

管道是指用于连续读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存总开辟一个大小固定的缓冲区。

• 管道只能采用半双工通信，某一时间段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。
• 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()被系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走完，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
• 如果没写满，就不允许读。如果没有读完，就不允许写。
• 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

2.4.3 消息传递

进程间的书就交换以格式化的消息（Message）为单位。进程间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。

2.4.4 小结

2.5 线程概念和多线程模型

2.5.1 什么是线程、为什么要引入线程？

在现实中，我们使用QQ，既可以一边文字聊天、视频、传送文件。显然有的进程可能需要”同时“做很多事情，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。

线程我们也可以理解为“轻量级的进程”。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。引入线程之后，不仅是线程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，是的一个进程内可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）。

引入线程后，进程只做为除CPU之外系统资源分配的基本单位（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。

2.5.2 引入线程机制后，有什么变化

2.5.3 线程的属性

2.5.4 线程的实现方式

2.5.4.1 用户级线程（User-Level Thread，ULT）

用户线程是由应用程序通过线程库实现。所有的线程灌流工作都由应用程序负责（包括线程切换）。

用户级别的线程中，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，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。（用户级线程对用户不透明，对操作系统透明）。

可以理解为，“用户级别的线程”就是“从用户视角能看到的线程”。

2.5.4.2 内核级线程（Kernel-Level Thread，KLT，又称“内核支持的线程”）

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。

可以这样理解，”内核级线程“就是“从操作系统内核视角能看得到的线程”。

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式：将n各用户级线程映射到m个内核级线程上（n>=m）。

重点：由于操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机（CPU）分配的单位。

例如：如上图，该进程由两个内核级线程、三个用户级线程组成，在用户看来，这个进程中有三个线程。但即使该进程在一个4核处理机的计算机上运行，也最多只能被分配到两个核，最多只能有两个用户级别的线程并行执行。

2.5.5 多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”。

2.5.5.1 多对一模型

多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。

优点：用户级线程的切换在用户空间就可以完成，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，整个线程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并发运行。

2.5.5.2 一对一模型

一对一模型：一个用户级线程对应一个内核级线程。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，线程切换有操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

2.5.5.3 多对多模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。

克服了多对一模型并发度不高的缺点，有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。

2.5.6 小结