【王道操作系统】ch2进程与线程-01进程与线程(长文预警)

2024-03-05 21:20

本文主要是介绍【王道操作系统】ch2进程与线程-01进程与线程(长文预警),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

文章目录

  • 【王道操作系统】ch2进程与线程-01进程与线程
    • 01 进程的概念、组成和特征
      • (1)进程的概念
      • (2)进程(进程实体)的组成
        • ①PCB(给操作系统用的)
        • ②程序段(给进程自己用的)和数据段(给进程自己用的)
      • (3)进程的特征
    • 02 进程的状态与转换、进程的组织
      • (1)进程的状态:创建态、就绪态、阻塞态、终止态
      • (2)进程的状态转换模型
      • (3)进程的组织
        • ①链接方式
        • ②索引方式
      • (4)进程的状态与转换、进程的组织小结
    • 03 进程控制
      • (1)什么是进程控制
      • (2)如何实现进程控制——用“原语”实现
        • 为什么进程控制(进程的状态转换过程)需要一气呵成,不能被打断?
        • 为什么原语具有“原子性”,具有一气呵成不被中断的性质呢?
        • 如果关中断指令和开中断指令允许用户程序使用的话,会发生什么?
      • (3)进程控制相关的原语
        • ①创建原语
        • ②撤销原语
        • ③阻塞原语和唤醒原语
        • ④切换原语
        • 什么是进程的运行环境?
        • 进程控制原语小结
    • 04 进程通信
      • (1)什么是进程间通信?
      • (2)为什么进程通信需要操作系统的支持?
      • (3)进程通信的三种方式(共享存储、消息传递、管道通信)
        • ①共享存储
        • ②消息传递
          • 直接通信示意图:
          • 间接通信示意图:
        • ③管道通信
          • 管道通信的特点
        • 总结:管道通信和共享存储的区别和联系
    • 05 线程的概念与特点
      • (1)什么是线程
      • (2)引入了线程机制带来的变化
      • (3)线程的属性
    • 06 线程实现方式和多线程模型
      • (1)用户级线程(User-Level Thread,ULT)
        • 线程管理的工作由谁来完成
        • 线程切换是否需要CPU变态
        • 操作系统是否能意识到用户级线程的存在
        • 优缺点
      • (2)内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT)
        • 1.线程管理的工作由谁来完成
        • 2.线程切换是否需要CPU变态
        • 3.操作系统是否能意识到用户级线程的存在
        • 4.优缺点
      • (3)多线程模型
      • (4)用户级线程和内核级线程小结
    • 07 线程的状态与转换
    • 08 线程的组织与控制

【王道操作系统】ch2进程与线程-01进程与线程

01 进程的概念、组成和特征

(1)进程的概念

  • 程序:静态的,存放在磁盘里的可执行文件,就是一系列的指令集合
  • 进程:进程时动态的。进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配调度的一个独立单位。PCB是进程存在的唯一标志。(进程的调度:操作系统决定让这个进程上CPU运行)

操作系统是进程的管理者,当进程被创建时,操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的身份证号——PID(Process ID)

  • 操作系统需要记录PID、进程所属用户ID(UID)【基本的进程描述信息,让操作系统区分各个进程】
  • 记录给进程分配了哪些资源(分配了多少内存、正在使用哪些I/O设备、正在使用哪些文件)【可用于实现操作系统对资源的 管理】
  • 记录进程的运行情况(CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等)【可用于操作系统对进程的控制、调度】

以上信息都被保存在一个数据结构PCB(Process Control Block)中,即进程控制块。操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理,但凡管理时所需要的信息,都会被放在PCB中。

(2)进程(进程实体)的组成

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①PCB(给操作系统用的)

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PCB是进程存在的唯一标志,当进程被创建时,操作系统为其创建PCB,当进程结束时,会回收PCB。

②程序段(给进程自己用的)和数据段(给进程自己用的)

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  • 进程:进程时动态的。进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配调度的一个独立单位。PCB是进程存在的唯一标志。(进程的调度:操作系统决定让这个进程上CPU运行)
  • 进程实体:一个进程实体(进程映像)由PCB、程序段、数据段组成。进程实体是静态的。可以将进程实体理解为进程某一时刻的快照,进程实体反映了进程在某一时刻的状态。
    例如:一个程序运行多次会对应多个进程。
    同时挂3个QQ号会对应三个QQ进程,它们的PCB、数据段各不相同,但是程序段的内容相同,都是运行的相同的QQ程序

(3)进程的特征

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tips:进程是能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位。注意,在引入了线程之后,进程就不再是独立接收调度的基本单位了,但进程仍然是独立获得资源的基本单位

02 进程的状态与转换、进程的组织

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(1)进程的状态:创建态、就绪态、阻塞态、终止态

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  • 创建态:进程正在被创建,操作系统为进程分配资源、初始化PCB
  • 就绪态:当进程创建完成后,进入就绪态。处于就绪态的进程已经具备运行条件,但由于没有空闲CPU,暂时不能运行。
  • 运行态:如果一个处于就绪态的进程被操作系统调度,这个进程就可以上CPU运行,当一个进程在CPU上运行时就处于运行态
  • 阻塞态:在进程的运行过程中,可能会请求等待某个事件的发生(如等待某种系统资源的分配,或者等待其他进程的响应),在这个事件发生之前,进程无法继续往下执行,此时操作系统会让这个进程下CPU,并让它进入阻塞态
  • 终止态:一个进程可以执行exit系统调用,请求操作系统终止该进程。此时进程会进入终止态,操作系统会让该进程下CPU,并回收内存空间等资源,最后还要回收该进程的PCB。

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(2)进程的状态转换模型

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(3)进程的组织

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①链接方式

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②索引方式

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两种进程组织方式中,用得比较多的是链接方式

(4)进程的状态与转换、进程的组织小结

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03 进程控制

(1)什么是进程控制

定义:进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理,它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
通俗理解:进程控制就是要实现进程的状态转换。

(2)如何实现进程控制——用“原语”实现

计算机进程的控制通常由原语完成。所谓原语,一般是指由若干条指令组成的程序段,用来实现某个特定功能,在执行过程中不可被中断。在操作系统中,某些被进程调用的操作,如队列操作对信号量的操作检查启动外设操作等,一旦开始执行,就不能被中断,否则就会出现操作错误,造成系统混乱。所以,这些操作都要用原语来实现。原语是操作系统核心(不是由进程,而是由一组程序模块组成)的一个组成部分,并且常驻内存,通常在管态下执行。原语一旦开始执行,就要连续执行完,不允许中断。(内核态=核心态=管态)
总结:原语的执行具有“原子性”,一气呵成,不允许中断。

为什么进程控制(进程的状态转换过程)需要一气呵成,不能被打断?
  • 回答:如果不能“一气呵成”,就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况,这会影响操作系统进行别的管理工作。
  • 例如:假设PCB中的变量state表示进程所处的状态,1表示就绪态,2表示阻塞态。
    在这里插入图片描述
    假设此时进程2等待的事件发生,则操作系统中负责进程控制的内核至少需要做两件事:
    ①将PCB2的state设为1
    ②将PCB2从阻塞队列放到就绪队列
    而如果在完成第一步之后收到进程中断信号,那么PCB2的state=1,但是PCB2这个进程却位于阻塞队列,这就产生了错误,造成了系统混乱。因此进程的状态转换过程必须一气呵成,从第一步到第二步不容许打断,因此必须用原语来实现。
为什么原语具有“原子性”,具有一气呵成不被中断的性质呢?
  • 回答:用 “关中断指令”“开中断指令” 这两个 特权指令 实现原子性。
    在这里插入图片描述
如果关中断指令和开中断指令允许用户程序使用的话,会发生什么?

普通的用户程序一旦在CPU上被执行,就有可能已知霸占着CPU的资源,但是这种情况是我们不希望发生的,所以这两个指令只能被内核程序使用,必须是特权指令。

(3)进程控制相关的原语

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①创建原语

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②撤销原语

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③阻塞原语和唤醒原语

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一个进程由什么事件阻塞,就应该由什么事件唤醒。即阻塞原语和唤醒原语必须成对使用。

④切换原语

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什么是进程的运行环境?

进程的运行环境也叫“进程上下文(Context)”,一个进程下CPU时会将其需要的运行环境存入PCB中,而当一个进程需要重新回到CPU运行时,就可以从PCB中恢复它的运行环境,让它继续往下执行。
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进程控制原语小结

无论是哪个进程控制源于,无非就是做三件事:

  • 更新PCB中的信息
  • 将PCB插入合适的队列
  • 分配/回收资源

04 进程通信

(1)什么是进程间通信?

进程间通信(Inter-Process Communication,IPC)是指两个进程之间产生数据交互。
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(2)为什么进程通信需要操作系统的支持?

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。
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(3)进程通信的三种方式(共享存储、消息传递、管道通信)

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①共享存储

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  • 通过 “增加页表项/段表项” 即可将同一片共享内存区映射到各个进程的地址空间中(第三章的内容)

  • 为避免出错,各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。各个进程可以使用操作系统内核提供的同步互斥工具(如P、V操作)。多个进程可以同时从共享空间中读,但是不可以同时写入共享空间。

    • 基于数据结构的共享
      比如共享空间里只能放长度为20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
      操作系统在内存中划出一块共享存储区,数据的形式、存放的位置都由通信进程控制,操作性系统不做限制。这种共享方式速度快,是一种高级通信方式。
②消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息(Message) 为单位。进程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。
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  • 直接通信方式:消息发送进程要知名接收进程的ID
  • 间接通信方式:通过“信箱”间接通信。又称“信箱通信方式”
直接通信示意图:

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间接通信示意图:

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间接通信方式以“信箱”作为中间实体进行消息传递。可以多个进程往同一个信箱send消息,也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。

③管道通信

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  • “管道”是一个特殊的共享文件,又名pipe文件。和共享存储类似,也是P和Q在内存中都可以访问的一块大小固定的内存缓冲区。这个内存缓冲区本质上就是一个循环队列
  • 进程P往“管道”中依次写入数据,进程Q从管道中依次读取数据。管道中的数据符合“先进先出(First In First Out,FIFO)”的原则,先被进程P写入的数据也会被进程Q先读取。而在共享存储的方式中,P想往这一块存储区域的什么地方写就往什么地方写,Q想从什么地方读就从什么地方读,P没有写入限制,Q没有读取限制,很自由。
管道通信的特点
  • 管道只能采用半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现全双工通信,则需要设置两个管道

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  • 各进程要互斥地访问管道(由操作系统实现)
  • 当管道写满时,写进程将阻塞,直到读进程将管道中的数据取走,即可唤醒写进程。
  • 当管道读空时,读进程将阻塞,直到写进程往管道中写入数据,即可唤醒读进程。
  • 管道中的数据一旦被读出,就彻底消失。因此,当多个进程读同一个管道时,可能会错乱。对此,通常有两种解决方案:①一个管道究许多个写进程,一个读进程(2014年408真题高教社官方答案)﹔② 允许有多个写进程,多个读进程,但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据(Linux的方案)。
总结:管道通信和共享存储的区别和联系
特征管道通信共享存储
通信方式单向通信,只支持单向数据流双向通信,支持双向数据流
数据传输通过管道传输数据,通常是字符或字节流数据存储在共享的内存区域中
进程关系通常用于父子进程之间的通信适用于任意进程间的通信
同步/异步通常是同步的,一个进程写入,另一个进程读取可以是同步或异步,具体取决于实现方式
性能适用于小量数据的传输,轻量级通信适用于大量数据的共享,但需要考虑同步和互斥
通信开销有一定的通信开销,因为数据需要在管道中传递通信开销较小,直接读写内存区域
实现难度相对简单,适用于简单的通信需求相对复杂,需要考虑同步、互斥和内存管理等方面

05 线程的概念与特点

(1)什么是线程

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  • 传统的进程是程序执行流的最小单位
  • 引入线程之后,线程成为了程序执行流的最小单位,是一个基本的CPU执行单元。进程内的各线程之间也可以并发,进一步提升了系统的并发度,使得一个进程内也可以并发处理各种任务(如QQ视频、文字聊天、传文件);进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元(如打印机内存地址空间等都是分配给进程的)

(2)引入了线程机制带来的变化

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(3)线程的属性

特性描述
处理机调度单位线程是处理机调度的基本单位,可独立执行和调度
多CPU支持在多CPU计算机中,不同线程可以占用不同的CPU
标识符每个线程有唯一的线程ID,用于标识和区分不同的线程
线程控制块(TCB)每个线程有自己的线程控制块,用于保存线程的状态信息
基本状态线程有就绪、阻塞、运行等基本状态
系统资源拥有线程几乎不拥有系统资源,共享进程的资源
资源共享同一进程的不同线程之间共享进程的资源,如内存地址空间
通信方式由于共享内存地址空间,同一进程中的线程间通信无需系统干预
同一进程切换开销切换同一进程内的线程开销较小,不会引起整个进程的切换
不同进程切换开销切换不同进程中的线程会引起整个进程切换,系统开销相对较大

06 线程实现方式和多线程模型

线程的实现可以分为两类:用户级线程(User-Level Thread,ULT)和内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT)。

(1)用户级线程(User-Level Thread,ULT)

描述:在用户级线程中,有关线程管理的所有工作都由应用程序在用户空间中完成,内核意识不到线程的存在。
历史背景:早期的操作系统(如:早期Unix)只支持进程,不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的。

int main() {int i = 0;while (true) {if ( i==0){处理视频聊天的代码;}if ( i==1){处理文字聊天的代码;}if ( i==2){处理文件传输的代码;}i = (i+1)83;//i的值为0,1,2,0,1,2.. .}
}

从代码的角度看,线程其实就是一段代码逻辑。上述三段代码逻辑上可以看作三个“线程”。while循环就是一个最弱智的“线程库”,线程库完成了对线程的管理工作(如调度)

在这里插入图片描述
很多编程语言提供了强大的线程库,可以实现线程的创建、销毁、调度等功能。

线程管理的工作由谁来完成

用户级线程的管理工作是由应用程序通过线程库完成的,并不是操作系统负责的。

线程切换是否需要CPU变态

线程切换是由线程库应用程序自己完成的,在用户态下就可以完成线程的切换工作,不需要操作系统干涉。

操作系统是否能意识到用户级线程的存在

他只知道这个进程是一块代码,但在这块代码里又被分为了几个线程,操作系统是意识不到这些线程的存在的。

优缺点
  • 优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成,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后,整个进程都会被阻塞(从上面的伪代码可以看到),并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。

(2)内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT)

描述:内核级线程即操作系统支持的线程。
在这里插入图片描述

1.线程管理的工作由谁来完成

内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

2.线程切换是否需要CPU变态

.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。

3.操作系统是否能意识到用户级线程的存在

操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB ( Thread Control Block,线程控制块),通过TCB对线程进行管理。“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”

4.优缺点
  • 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。多线程可在多核处理机上并行执行。
  • 缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程,线程切换由操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程管理的成本高,开销大。
  • 在这里插入图片描述

(3)多线程模型

在支持内核级线程的系统中,根据用户级线程和内核级线程的映射关系,可以划分为几种多线程模型。

模型一对一模型多对一模型多对多模型
描述每个线程对应一个独立的执行线程,退化为纯粹的内核级线程的线程实现方式多个线程共享一个执行线程,由调度器管理 ,退化为纯粹的用户级线程的实现方式n用户及线程映射到m个内核级线程(n >= m) 。每个用户进程对应m个内核级线程
图片在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述
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。多线程可在多核处理机上并行执行。用户级线程的切换在用户空间即可完成,不需要切换到核心态,线程管理的系统开销小,效率高克服了多对一模型并发度不高的缺点(一个阻塞全体阻塞),又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。
缺点一个用户进程会占用多个内核级线程,线程切换由操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程管理的成本高,开销大。当一个用户级线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

(4)用户级线程和内核级线程小结

  • 用户级线程是“代码逻辑”的载体;
  • 内核级线程是“运行机会”的载体。
  • 内核级线程才是CPU分配的单位。 例如多核CPU的环境下,上表的一对多模型这个进程最多可以被分配两个核。
  • 一段代码逻辑只有获得了运行机会才能被CPU执行
  • 内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码,只有两个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时,这个进程才会阻塞
    在这里插入图片描述

07 线程的状态与转换

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08 线程的组织与控制

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