操作系统学习笔记——进程与线程（二）

操作系统学习笔记——进程与线程（二）

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目录

• 前言
• 一、进程
• • （一）基本概念
  • • 1.区分进程与程序
    • 2.特征（了解）
    • 3.进程的五种状态及其转换
  • （二）进程构成
  • • 1.构成元素（PCB+程序段+数据段）
    • 2.控制方式
  • （三）进程通信
  • • 1.共享存储
    • 2.消息传递
    • 3.管道通信
• 二、线程
• • （一）基本概念
  • （二）进程与线程的比较
  • （三）三种线程实现方式
  • • 1.用户级线程(ULT)
    • 2.内核级线程(KLT)
    • 3.组合式线程
• 总结

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前言

本文重点在于区分进程和线程，会结合一些经典考研题进行综合理解。同时本文会借用清华大学ucore OS实验中的部分代码帮助理解。

请用点赞催更~

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一、进程

（一）基本概念

1.区分进程与程序

在操作系统诞生初期，为了提高操作系统的并发性和共享性，引入进程这个概念。这里伴随着三个重要概念的产生，我这里用两组集合来表示他们（进程，进程映像）&&（进程，程序）。让我们来看看这两组概念的辨析：

ps：进程映像也被叫做进程实体。

（1）. 进程，进程映像
进程映像=PCB+程序段+相关数据段，它是静态概念；
进程的定义有很多，我们只需要灵活的理解，需要记忆的是进程是一个动态的概念。

（2）. 进程，程序
程序程序是指令的有序集合，无执行含义，所以它也是静态的；
相反进程是动态的。

2.特征（了解）

四大特征：动态性，并发性，独立性，异步性

3.进程的五种状态及其转换

这里不对进程的五个状态的转换做说明，因为有太多的文章讲了类似的事情。我们把重点放在一些值得关注的点上面（俗称 考点）。

首先，我们要对特殊状态的转化做到心中有数，所谓特殊是指单向性，触发条件的特定性，我们结合一些题目来记忆。

eg1.在进程转换时，不可能发生的状态是___。(阻塞->运行)
eg2.__事件的发生必然引起进程的切换。（一个进程从运行态变为就绪态）

（二）进程构成

1.构成元素（PCB+程序段+数据段）

大家对进程实体的构成并不陌生，但你知道他们具体的工作吗？
这里假设一个进程实体的构成为PCB,共享正文段，数据堆段，数据栈段组成。

PCB:里面的东西都是大同小异的，包括PID,UID,优先级，状态等，如下图所示，图为UCORE OS中PCB的具体构成部分。

正文段:（也叫程序段）其中包含的是二进制代码和常量。（代码+常量）

数据堆段:里面是动态分配的存储区。（动态分配内存）

数据栈段：存放临时使用的变量，包括一些未赋值的临时变量。（变量）

大家记住正文段，堆栈段中有什么，剩下的全在PCB。>.<

2.控制方式

上次我们讲中断里提到过，内核态主要负责的四大板块，其中一个是原语。

啥是原语，我们现在来解释。一般把进程控制用的程序段称为原语。
常用的原语有:

• 创建原语(用于进程的创建)
• 终止原语(使进程终止)
• 阻塞原语即Block原语(将运行态的进程转为阻塞态)
• 唤醒原语即Wakeup原语(将阻塞态进程放入就绪态)

特别需要注意的是,Block原语要与Wakeup原语配套使用,否则你的进程就一直处于阻塞态永远不会被唤醒。

（三）进程通信

1.共享存储

即通信的进程存在一块可以直接访问的共享空间。这里有个问题,如果两个通信进程同时读取或者同时写入到底以谁为准呢?所以要利用同步互斥工具(P/V)。

OS只负责提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具(P/V)。数据交换由用户自己安排。

2.消息传递

在消息传递系统中,进程间的数据交换是用格式化的消息(message)为单位.通过发送原语和接受原语进行数据交换。
具体的通信方式分成两种:
1)直接,直接交给想要想给的进程;
2)间接,相比直接通信,需要一个中间实体(这个实体叫做信箱),跟现在的写信寄信收信的方式很像;

这种方式的优点:隐藏通讯细节,对用户透明。这样的机制常用于计算机网络和分布式系统中。

3.管道通信

基于文件系统的进程通信方式。对于一个进程,它有一个读缓冲区和一个写缓冲区,所以缓冲区只允许一边写入另一边读出。即一个进程的读缓冲区是另一个进程的写缓冲区,因为这种特殊机制的存在,这决定了管道通信是半双工通信。

管道通信中的共享文件是一种特殊文件,特殊性体现在:
1)限制管道大小;
2)读进程也可能工作得比写进程快。

二、线程

（一）基本概念

引入线程机制之后,线程成为了一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单元,线程是一个"轻量级的进程"。由线程id,pc,寄存器集合和堆栈组成。

最重要的是,线程是进程中的一个实体,线程不能自己拥有系统资源,但线程还有一点在运行中必不可少的资源。一句话,有点资源但不多,虽然不多但是有。它可以与共享他所属的进程的全部资源(进程允许共享的全部资源)。

线程可以创建更多的线程,一个进程可以有多个线程。

（二）进程与线程的比较

1. 调度。进程之间的切换必须进行上下文切换,开销大;线程之间的切换不一定会引起进程之间的切换,而在同一个进程下不同线程的切换所需要的开销很小,所以平均一下使得线程调度更小。
2. 并发。引入线程提高了操作系统的并发性。
3. 资源。进程是系统中拥有资源的基本单位;线程点资源但不多。
4. 独立。每个进程有自己的独立地址空间和资源,除了全局共享变量,其他资源不允许其他进程访问;线程没这么独立。
5. 开销。关于开销的论述也在调度中提到了。
6. 线程支持多处理机系统。

（三）三种线程实现方式

1.用户级线程(ULT)

内核意识不到线程的存在。调度仍然是以进程为单位。

优点:

• 线程切换不用进入内核,节省开销;
• 进程的调度算法仍然可用,用户可以根据对自己的线程使用不同的调度算法;
• 用户级线程管理是属于用户程序的一部分与操作系统无关,更加灵活。

缺点:

• 一旦有一个线程出问题,则该进程内的所有线程都会被阻塞;
• 不能发挥出多处理机的优势,内核每次分配给进程一个CPU,因为用户级线程的数量操作系统的内核是不知道的。

2.内核级线程(KLT)

由内核创建线程。

优点:

• 能发挥多处理机优势,因为内核知道由多少线程,所以他给每个线程分配一个CPU调度;
• 如果一个线程受阻,其他还能跑;

缺点:

• 同一进程中的线程切换,需要从用户态转到内核态执行,系统开销大,这是因为用户进程的线程还是在用户态运行,而线程的调度和管理却在内核。

3.组合式线程

集合了前面的优点,还有效的避免了前面的缺陷,是现代操作系统常用的操作。

总结

我们用“人的生命历程”来类比进程。首先，人的生命历程一定是一个动态的、过程性的概念，要研究人的生命历程，先要介绍经历这个历程的主体是什么。主体当然是人，相当于经历进程的主体是进程映像，人有自己的身份，相当于进程映像里有 PCB:人生历程会经历好几种状态出生的时候、弥留的时候、充满斗志的时候、发奋图强的时候及失落的时候，相当于进程有创建撤销、就绪、运行、阻塞等状态，这几种状态会发生改变，人会充满斗志而转向发奋图强，发奋图强获得进步之后又会充满斗志预备下一次发奋图强，或者发奋图强后遇到阻碍会进入失落状态，然后在别人的开导之下又重新充满斗志。类比进程，会由就绪态转向运行态，运行态转向就绪态，或者运行态转向阻塞态，然后在别的进程帮助下返回就绪态。
若我们用“人生历程”这个过程的概念去类比进程，则对进程的理解就会更深一层。前面生活化的例子可以帮我们理解进程的实质，但它毕竟有不严谨的地方。一种较好的方式是，在类比进程和“人生历程”后，再看一遍前面较为严谨的书面阐述和讨论，这样对知识的掌握会更加准确而全面。