进程与线程（一）进程相关

一. 概念

多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时它们将失去封闭性，具有间断性以及不可再现性。为了更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性，引入进程概念。

进程的不同定义：

• 进程是一个正在执行的实例
• 进程是一个程序及其数据从磁盘加载到内存后，在CPU上的执行过程。
• 进程是一个具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程。

引入进程实体后，可以将进程定义为：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

这里的系统资源是指CPU，存储器和其他设备服务于某个进程的“时间”，例如将CPU资源理解为CPU的时间片。----> 即进程是时间片分配的独立单位。

操作系统通过PID标识每一个进程。程序是静态的，一个程序可以对应多个进程。

二 . 组成

**进程实体（进程映像）：由程序段，相关数据段和PCB构成。 **进程实体是静态的，是进程某时刻的状态。

进程控制块

为了使得参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立运行，需要配置专门的数据结构—进程控制块（Process Control Block，PCB），系统利用进程控制块来描述进程基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。 **
** 创建/撤销进程：即创建/撤销进程的PCB。

PCB中报存的信息

程序段

程序段：能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段，【多个进程可以共享一个程序】

数据段

进程数据段：进程对应程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结结果。

三. 特征

• 动态性：进程是程序的一次执行，包含创建，活动，暂停，终止等过程，具有一定的生命周期，动态地产生，变化和消亡。【最基本的特征】
• 并发性：多个进程同存于内存中，能在一定时间段内同时运行。【进程和操作系统的重要特征】
• 独立性：进程是一个能独立运行，独立获得资源，独立接受调度的基本单位。未创建PCB的程序，都不能作为一个独立的单位参与运行。

【引入线程后，进程不再是接受调度的基本单位，但依然是获得资源的基本单位。】

• 异步性：由于进程下相互制约，使得进程按各自独立运行，不可预知速度推进。

异步性会导致执行结果的不可再现性，因此操作系统中需要配置相应的进程同步机制。

• 结构性：进程配置一个PCB。结构上看，由PCB，数据段，程序段组成。

四. 进程的状态与转换

进程PCB中，会有一个变量state表示当前状态。

• 进程的状态
  • 运行态：进程运行在CPU上。单个CPU中，每个时刻只有一个进程处于运行态。
  • 就绪态：进程获得了除CPU以外的一切资源，一旦得到CPU即可运行。就绪状态的进程排成一个就绪队列。
  • **阻塞态（等待态）：进程等待某一事件而暂停运行，**如等待某个资源可用（不包括CPU）或者I/O操作完成。根据阻塞原因可以设置多个阻塞队列。
  • 创建态：进程正在被创建，尚未转到就绪态。【由于某个步骤被阻塞而没有完成创建进程】

进程创建需要多个步骤：申请空白PCB，向PCB填充控制和管理进程的信息，分配进程运行需要的资源（如内存资源），转入就绪态加入就绪队列。

• 终止态：进程正在从系统消失，可能是正常结束或异常退出。进程需要结束运行时，系统将该进程设置为终止态，接着释放与回收资源。
• 进程状态转换

五. 进程控制

• 定义：

进程控制：即对系统中所有进程实施有效管理，具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

操作系统中，一般将进程控制使用的程序段称为原语。

• 进程控制如何实现：
  • 使用“原语”实现进程控制。
• 为何进程控制需要“一气呵成”，不可被打断：
  • 如果进程控制可以被打断，可能导致操作系统中某些关键数据结构信息不统一，会影响操作系统进行别的管理工作。
  • 例如：PCB中变量state表示进程状态，如果1表示就绪态，2表示阻塞态。

• 原语的“原子性”如何实现：
  • 使用特权指令：**关中断，开中断 **指令。

例行检查：CPU执行一条指令后，会检查是否有中断信号，如果存在中断信号，则暂停当前程序的运行，转去中断处理程序。

CPU执行 关中断 指令 之后，不会检查中断信号，直到执行 开中断 指令，才会恢复检查。

• 相关原语：进程创建，进程终止，进程阻塞，进程唤醒，进程切换

进程创建

• 创建原语：申请空白PCB，为新进程分配资源，初始化PCB，将PCB插入就绪队列。【创建态—>就绪态】
• 引起进程创建的事件
  • 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会创建一个新进程。
  • 作业调度：多道批处理系统中，新的作业放入内存，会为其建立一个新进程。
  • 提供服务：用户向操作系统提出某些请求，会新建一个进程处理该请求
  • 应用请求：用户进程主动请求创建一个子进程。

进程终止

• 撤销原语：从PCB集合找到终止进程的PCB；若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进进程终止所有子进程；将该进程的所有资源归还给父进程或操作系统。；删除PCB。

就绪态/阻塞态/运行态----->终止态------>无 ； 进程之间关系是树形结构。

• 引起进程终止的事件
  • **进程正常结束：**进程自己请求终止（exit系统调用）
  • **进程异常退出：**整数除以0，特权指令非法使用等被操作系统强行杀掉。
  • 外界干预进程：Ctrl + Alt + Delete，用户选择杀死进程。

子进程与父进程示例：

进程阻塞与进程唤醒

进程切换

六. 进程通信

进程通信（Inter-Process Communication，IPC）是指进程之间的信息交换。PV操作（见后续详解）是低级通信方式，高级通信方式是指以较高速率传输大量数据的通信方式，主要有以下三类：共享存储，消息传递，管道通信。

1. 进程是分配系统资源的单位（包括内存地址），各个进程拥有的内存地址空间相互独立。
2. 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。

共享存储

进程之间存在一块可以直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行读/写控制操作【需要使用同步互斥工具（如P操作，V操作）】实现进程之间的信息交换。

1. 设置共享内存区域，并映射到进程的虚拟地址空间；
2. 各个进程访问共享空间是互斥访问的。

结构如下图所示；

Linux系统实现共享空间：

1. int shm_open(…)；//通过shm_open系统调用，申请共享内存区。
2. void * mmap(…)；//通过mmap系统调用，将共享内存区映射到进程自己的地址空间。

• 分类：
  • 低级通信方式的存储：基于数据结构共享。灵活性差，速度慢
  • 高级通信方式的存储：基于存储区共享。灵活性高，速度快

操作系统只提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，数据交换由用户自己安排读/写指令完成。
注：两个进程共享空间，必须通过特殊的系统调用，进程内的线程则是自然共享进程储空间。

消息传递

进程之间利用 操作系统提供的 消息传递方法 实现进程通信。

消息传递系统中，进程间的数据传递以格式化的消息（Message）为单位，进程通过操作系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。

该方法隐藏了通信实现的细节，使得通信过程对用户透明，简化了通信程序的设计。

分类：

• 直接通信方式：消息发送进程需要指明接收进程的ID

• 间接通信方式：通过”信箱“间接通信。【”信箱通信方式“】

管道通信

管道是一个特殊的共享文件，又称pipe文件【其实就是在内存空间开辟一个大小固定的内存缓冲区】，数据在管道中先进先出（FIFO）【循环队列】。管道通信允许两个进程按生产者——消费者方式进行通信。只要管道不满就可以在一端写入数据，管道非空就可以在另一端读出数据。
管道机制：

• 1. 互斥：（对于一个管道）同一时刻只允许一个进程对管道进行读/写操作【半双工通信方式】。
• 2. 同步：写进程将管道写满后，写进程阻塞，只有管道中数据被读出后才可以继续写入。读进程同理。

从管道读数据是一次性操作，一旦被读取就会释放空间以便写入数据。

• 3. 确认对方存在 。

拓展：Linux系统