进程和线程

进程的概念

进程的定义

[! definition] 进程是指具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。两个特征，程序+数据+动态执行

进程和程序之间的变化。操作系统如何维护？内存中堆栈，加入函数地址。

进程的组成

包含了正在运行的一个程序的所有状态的信息

代码；数据；进程控制块状态寄存器 : cpu状态CR0,指令指针IP 通用寄存器：ax,bx,cx 进程占用系统资源：打开文件、已分配内存

进程的特征

动态性创建到结束
并发性交替执行多个程序；进程可以被独立调度并占用cpu运行
独立性：不同进程的工作不影响
制约性：因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约；独立与制约的权衡； cpu上的一个指令指针，指针切换，

进程与程序的联系

进程是操作系统处于执行状态程序的抽象
- 程序=文件静态可执行
- 进程=执行中的程序=程序+执行状态
同一个程序的多次执行过程对应不同进程
- 命令ls的多次执行对应多个进程
进程执行需要的资源
- 内存：保存代码和数据
- CPU: 执行指令

进程与程序的区别

一静一动
一暂时（开始到结束）一永久
组成不同，包括程序、数据和进程控制块

进程控制块

操作系统控制和管理进程运行的过程

操作系统管理控制进程运行所用的信息集合

操作系统用PCB来描述进程的基本情况 id,执行的程序以及运行变化的过程，状态
PCB是进程存在的唯一标识

进程控制块的使用

进程创建：生成该进程的PCB 进程终止：回收它的PCB 进程的组织管理：通过对PCB的组织管理来实现 PCB包含的具体信息？如何组织？进程的状态转换？

内容:

pc,sp:函数调用会返回，当时的栈顶在什么地方

标识信息

cpu 现场保存 ,为交替使用

其他寄存器

进程控制信息

调度和状态信息：调度进程和cpu使用情况
进程间通信信息：（与外界打交道，读数据，处理不同数据）进程间通信相关的各种标识
存储管理信息：指向进程映像存储空间数据结构
进程所用资源：进程使用的系统资源，如打开文件等最后是要回收的
有关数据结构连接信息：与PCB相关的进程队列

进程数据块的组织

链表：同一状态的进程其PCB成一链表，多个状态对应多个不同的链表：就绪、阻塞索引表：同一状态的进程归入一个索引表，由索引指向PCB

进程的状态

生命周期：创建-执行-等待-抢占-唤醒-结束

进程创建

系统初始化，创建第一个用户进程
用户进程，用户请求创建一个新进程→ 就绪
正在运行的进程执行了创建进程的系统调用

进程执行

就绪队列→运行内核选择一个就绪的进程，让它占用处理机并执行？如何选择？处理器的调度算法

进程等待（阻塞）

请求并等待系统服务，无法马上完成
启动某种操作，读写磁盘，无法马上完成
需要的数据没有到达只有进程自身才能知道何时需要等待某种事件的发生，内部原因导致进入等待状态

抢占

高优先级进程就绪进程执行当前时间用完，时间片起到的作用

被唤醒

进入等待条件的反过来等待的事件出现，等待的资源被满足

同样，与等待进入相反，进程只能被别的进程或操作系统唤醒，不是自身原因

结束

退出，占用的资源还给操作系统

正常退出；错误退出；（自愿）||致命错误；被其他进程所杀；（强制）

例子

sleep()系统的调用对应的进程状态变化

三状态进程模型

核心状态

运行（Running）:进程正在处理机上执行
就绪（Ready）进程获取了除处理机以外的资源
等待阻塞（Blocked）进程正在等待某一事件的出现而暂停运行辅助状态
创建(new) 过渡状态，一个进程正在被创建，分配资源和数据结构初始化，还没转到就绪状态之前
退出 (exit) 一个进程从系统中消失，系统正在回收它的资源进程结束

状态变迁

NULL → 创建：一个新进程被创建出来执行一个程序
创建→就绪状态：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变成就绪态；等待 cpu的资源
就绪→运行：处于就绪状态的进程被进程调度程序选中后，就分配到处理机上来运行
运行→结束：进程完成/出错，操作系统开始回收资源
运行→就绪：时间片用完
运行→等待：请求某资源
等待→就绪：等待的事件出现了

挂起进程模型

与存储相关，虚拟存储外存

处于挂起状态的进程映像在磁盘上，目的是减少进程占用内存量，提供更多内存给其他进程使用图 等待挂起状态(Blocked-suspend):进程在外存并等待某事件的出现。在等待的基础上加了一个关于进程的位置的信息。 就绪挂起状态（ready-suspend）:进程在外存中（内存空间不够/进程优先级不高），但只要进入内存可运行？存疑

与挂起相关的状态变换

挂起：把一个进程从内存转到外存

等待到等待挂起
- 没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资源
就绪到就绪挂起
- 高优先级等待进程（系统认为会很快就绪）和低优先级就绪进程为了让高优先级进程进入后有足够空间
运行到就绪挂起
- 对抢先式分时系统，当有高优先级等待挂起进程因事件而进入到就绪挂起，那么当前运行的进程，，

三状态都会产生

在外存时的状态转换

等待挂起到就绪挂起：当有等待挂起进程因相关事件出现

激活把一个进程外存到内存

就绪挂起到就绪
- 没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程
等待挂起到等待
- 当一个进程释放足够内存，并有高优先级等待挂起进程

状态队列

由操作系统来维护一组队列，表示系统中所有进程的当前状态不同队列表示不同状态：就绪等待等根据进程状态不同，进程PCB加入相应队列：进程状态变化时，它所在的PCB会从一个队列换到另一个

状态变迁转换为队列之间的进程的搬迁

线程的概念

一个进程内部更好的并发性。

为什么引入线程

应用播放音频mp3,三个核心模块

从Mp3音频文件中读取数据
解压缩数据
把解压缩的数据用声卡播放

单进程

main()
{
	while(true)
	{
		Read();                      //I/O
 		Decompress();                //CPU
		Play();
	}
}
Read(){...}
Decompress(){...}
Play(){...}

问题：1. 播放出来的声音能否连贯？2. 各个函数之间不是并发执行，影响资源的使用效率

那么多进程？存在的问题：1.进程之间如何通信？共享数据？但是多进程设计目标是隔离，矛盾。2. 系统开销大，进程切换，系统调用，在内核里绕一圈。

多线程的解决思路在进程内部增加一类实体，满足以下特性：

实体之间可以并发执行，多个指令指针。
实体之间共享相同的地址空间，信息交流更方便。密切相关的一组执行流。这种实体就是线程。

线程的概念

线程是进程的一部分，（剥离并发一个进程多个线程）描述指令流执行状态。它是进程中指令执行流的最小单元，是CPU调度的基本单位。

进程的资源分配角色：进程由一组相关资源构成，包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源
线程的处理机调度角色：线程描述在进程资源环境中的指令流执行状态，独立的堆栈，函数调用 tcb:pc,sp,现场保护→寄存器