【4 进程与线程】

---

 每个进程都对应于一个运行中的程序。应用程序再运行时仿佛独自占用整个CPU，而不需要考虑何时需要把CPU让给其他应用程序：进程管理、CPU资源分配等任务交给操作系统。

1.进程

1.1 进程的状态

1.2 进程的内存空间布局

进程具有独立的虚拟内存空间

• 内核部分： 每个进程的虚拟地址空间里都映射了相同的内核内存部分。当进程在用户态运行时，内核内存对其不可见，只有当进程进入内核态时，才能访问内核内存。
• 用户栈 ：进程存放临时变量。扩展方向为自顶向下
• 代码库：进程执行时，需要依赖的共享的代码库，这些代码库映射到用户栈下方的虚拟地址处，并标记为只读。
• 用户堆：堆的扩展方向是自底向上的，堆顶在高地址上。
• 数据与代码段：数据段主要保存全局变量的值，而代码段保存的是进程执行所需的代码

1.3 进程控制块和上下文切换

进程控制块：
 每个进程都通过一个数据结构来保存它的相关状态，如进程标识符（PID）、进程状态、虚拟内存状态、打开的文件等。

struct task_st{
	volatile long state;
	struct mm_struct *mm;
	pid_t pid;
	pid_t tgid;
	...
}
1
2
3
4
5
6
7

进程上下文：
 包括进程运行时的寄存器状态，其能够用于保存和恢复一个进程在处理器上运行的状态。当操作系统需要切换当前执行的进程时，就会使用上下文切换机制。

上下文切换：

 该机制会将前一个进程的寄存器状态保存到PCB中，然后将下一个进程先前保存的状态写人寄存器，从而切换到该进程执行。

1.4 进程的缺点

 第一：创建进程的开销较大，需要完成创建独立的地址空间、载人数据和代码段、初始化堆等步骤。即使使用fork接口创建进程，也需要对父进程的状态进行大量拷贝。
 第二：由于进程拥有独立的虚拟地址空间，在进程间进行数据共享和同步比较麻烦，一般只能基于共享虚拟内存页（粒度较粗）或者基于进程间通信（开销较高）。

2.线程

 操作系统的设计人员提出在迸程内部添加可独立执行的单元，它们共享进程的地址空间，但又各自保存运行时所需的状态（即上下文），这就是线程。

2.1 多线程的地址空间布局

• 分离的内核栈与用户栈：
  进程为每个线程都准备了不同的栈，供它们存放临时数据，在内核中，每个线程也有对应的内核栈。当线程切换到内核中执行时，它的栈指针就会切换到对应的内核栈。
• 共享的其他区域：
  进程除栈以外的其他区域由该进程的所有线程共享，包括堆、数据段、代码段等。当同一个进程的多个线程需要动态内存分配更多内存时，它们的内存分配操作都是在同一个堆上完成的。因此malloc的实现需要使用到同步原语

2.2 用户态线程和内核态线程

 根据线程是由用户态应用还是由内核创建与管理’可将线程分为两类:用户态线程（user level thread）与内核态线程（kemel level thread）。

• 用户态线程: 是应用自己创建的，内核不可见，因此也不直接受系统调度器管理。
• 内核态线程: 由内核创建，受操作系统调度器直接管理。

与内核态线程相比，用户态线程更加轻量级，创建开销更小，但功能也较为受限’，与内核态相关的操作（如系统调用）需要内核态线程协助才能完成。

多线程模型：为了实现用户态线程和内核态线程的协作。操作系统会建立两类线程之间的关系。

• 多对一模型：
  将多个用户态线程映射给单一的内核态线程。
• 一对一模型：
  为每个用户态线程映射单独的内核态线程。
• 多对多模型：
  将N个用户态线程映射到M个内核态线程。

2.3 线程控制块与线程本地存储

线程也有自己的线程控制块（Thread Control Block，TCB），用于保存与自身相关的信息。

线程本地存储（Thread Local Storage，TLS）：一个名字，多份拷贝（与线程数量相同）的全局变量。