操作系统基础·3 进程线程模型

1、操作系统执行应用程序是以进程的方式运行的，进程即正在执行的程序的抽象，由程序代码（文本段）、数据段（全局变量）、进程控制块（PCB）、堆栈（临时数据：函数参数，返回地址，局部变量）、堆（运行时动态分配的内存）组成。进程有生命周期，可以创建、运行、暂停、消亡、并发执行，进程间可通过通信共享资源，每个进程有独立的地址空间与执行环境，有自己的PC和PSW。

2、PCB是管理程序运行的数据结构，包含进程状态、PC、CPU寄存器、CPU调度信息（优先级、调度队列指针）、内存管理信息、记账信息（CPU使用情况、自启动经过的时钟时间、时间限制）、I/O状态信息（分配给进程的I/O设备、打开文件列表），如下图：

3、程序是存储在磁盘上的被动实体（可执行文件），而进程是活动的，一个程序可以有多个进程。程序如何转化为进程？（1）将代码和静态数据加载到内存；（2）为程序的运行时栈(stack)分配内存；（3）为程序的堆(heap)分配内存；（4）执行与I/O相关的设置；（5）启动程序的运行。进程的内存映像如上图。

4、进程状态：新建、运行、等待、就绪（进程等待获得CPU）、终止，如下图。大多数状态不可逆转（如等待不能转换为运行），状态转换大多为被动进行，但运行→等待是主动的。一个进程在一个时刻只能处于上述状态之一。

5、当CPU切换到另一个进程时，系统必须通过上下文切换保存旧进程的状态，加载新进程的状态，其中进程的上下文保存在PCB中，如上图。上下文切换时间是纯开销，系统在切换时不执行任何有用的工作，与操作系统和PCB的复杂度正相关，时间开销取决于硬件支持。移动系统中区分前台和后台任务。

6、进程的挂起指的是进程因为某种原因暂时不能继续执行，需要等待某个事件或者满足某种条件后才能恢复执行。挂起状态下，进程被保存在磁盘上，不占用内存资源和CPU时间。进程挂起的原因有：用户请求、系统资源不足、进程间通信、I/O操作、错误或异常。有挂起状态的进程状态转换图如下图：

7、进程的组织方式如上图，因此PCB应包含①进程标识符；②进程当前状态；③进程队列指针（下一个PCB的地址）；④程序和数据地址；⑤进程优先级；⑥CPU现场保护区（通用寄存器、程序计数器、程序状态字等）；⑦通信信息（与其他进程所发生的信息交换时记录的信息）；⑧家族关系（如父子进程标识）；⑨资源清单（所需资源及当前已分配资源）。

8、进程创建的流程如下图。进程通过进程标识符进行标识和管理，子进程（pid=0）是父进程的副本，从fork()后开始运行。wait(&status)：暂停调用进程直至其子进程结束，子进程的结束状态会被返回在status所指向的位置。waitpid(pid, &status, options)：可以用它等待一个特定的子进程。

9、进程终止是进程执行最后一条语句，通过exit()系统调用请求操作系统删除它（通过wait将状态数据返回给父进程，进程的资源由OS释放），如上图。父进程可以使用abort()系统调用终止子进程的执行，可能因为：①子进程超过了分配的资源；②分配给子进程的任务不再需要；③父进程正在退出。如果一个进程终止，则其所有子进程也必须终止（由操作系统发起，级联终止）。父进程可以使用pid = wait(&status)。当​​父进程终止​​而​​子进程仍运行​​时，子进程成为孤儿进程；当​​子进程已终止​​，但​​父进程未读取其退出状态​​时，子进程成为僵尸进程。进程终止的原因：（1）正常退出；（2）错误退出（运行时错误，如除以零或访问无效内存）；（3）致命错误（如硬件错误或操作系统错误）；（4）由其他进程终止；（5）用户请求；（6）操作系统干预（使用过多资源或违反操作系统策略）；（7）父进程终止；（8）系统关机或重启。

10、一个UNIX示例如下图。若主程序连续fork();三次，则共有2^3=8个进程。

11、进程阻塞如下图1，可能因为：I/O 请求、等待子进程、信号或消息、资源争用、内存页错误。进程唤醒如下图2，可能因为：I/O 完成、子进程终止、接收到信号或消息、获取资源、内存页调入完成。进程挂起要到PCB表中查找该进程的PCB、检查进程状态、更改进程状态、保存进程上下文、更新PCB、将目标进程从就绪队列中移除、添加到挂起队列中。进程激活要到PCB表中查找该进程的PCB、检查进程状态、更改进程状态、恢复进程上下文、更新PCB、将目标进程从挂起队列中移除、添加到就绪队列中。

12、单线程的劣势：CPU利用率低、响应性差、无法充分利用多核CPU、不适合并发，多线程的优势：响应性、资源共享、经济性、可扩展性。应用程序中的多任务可以通过多线程来实现，线程的创建是轻量级的，内核通常也是多线程的。

13、进程是系统进行资源分配和调度的独立单位，线程是CPU调度和分派的基本单位、比进程更小的能独立运行的基本单位。一个进程可以包含多个线程，线程运行在同一内存空间，共享相同的运行环境；线程间可以直接读写同一进程中的数据，通信更便捷，切换开销更小。线程属于进程，可以被看作是进程内部的独立的执行路径，一个进程内的多个线程共享该进程的资源，如内存空间、文件等。

13、线程控制块（TCB）是线程的大脑，包括：线程标识符、线程状态、CPU寄存器值、线程优先级、所属进程的引用。特别地，内核级TCB包含内核堆栈、CPU调度信息和内核资源使用情况；用户级TCB包含用户堆栈、用户资源使用情况。多线程进程的地址空间布局如下图：

14、多对一模型如上图，多个用户级线程映到单个内核线程，一个线程的阻塞会导致所有阻塞，在多核系统上多个线程可能无法并行运行，因为一次只能有一个线程在内核中运行。一对一模型如下图1，创建一个用户级线程会创建一个内核线程，比多对一模型具有更多的并发性，但由于开销每个进程中的线程数量会受到限制。多对多模型如下图2。两级模型如下图3，更大的灵活性。

15、内核级线程由操作系统内核直接支持和管理，可以在多处理器系统上并行运行，如果一个阻塞则OS可以立即调度同一进程中的另一个运行，其创建、销毁、同步和切换都需要进行系统调用、开销较大。用户级线程完全在用户空间中实现，其创建、销毁、同步和切换由相应的用户级线程库完成，操作系统不能直接调度、也不能在多处理器系统上并行运行，如果一个阻塞则整个进程都会被阻塞。

16、Pthreads（POSIX标准）：创建pthread_create(thread, attr, start_routine, arg);退出pthread_exit(retval);出让资源pthread_yield();合并pthread_join(thread, retval)，多线程合并可用for循环。一个例子：