建设银行网站图片,wordpress app生成,wordpress 首页调用文章,群晖 套件 wordpress文章目录 进程和线程进程的概念进程和程序的区别PCB(进程控制块)程序是如何运行的进程的特征进程的状态和状态转换五态模型 进程控制进程状态装换为啥需要保证原子性如何实现原语的原子性#xff1f; 进程控制相关原语进程创建进程终止进程的阻塞和唤醒进程的唤醒进程的切换 进… 文章目录 进程和线程进程的概念进程和程序的区别PCB(进程控制块)程序是如何运行的进程的特征进程的状态和状态转换五态模型 进程控制进程状态装换为啥需要保证原子性如何实现原语的原子性 进程控制相关原语进程创建进程终止进程的阻塞和唤醒进程的唤醒进程的切换 进程通信共享存储消息传递管道通信 线程概念为啥要引入线程线程的属性线程的实现方式用户级线程内核级线程 多线程模型一对一模型多对一模型多对多模型 线程的状态和转换线程的组织与控制进程和线程的区别 进程和线程
进程的概念
程序是静态的就是一个存放在磁盘里的可执行文件就是一系列的指令集合。
进程是动态的是程序的一次执行过程。在现在的操作系统中用户程序以进程方式占用系统资源。
典型的进程定义
进程是程序的一次执行进程是一个程序以及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
操作系统负责创建进程为进程分配资源、调度进程占用处理机等。
进程和程序的区别
进程是动态的程序是静态的程序是有序代码的集合通常对应着文件、静态和可以复制。进程是程序的执行进程是暂时的程序是永久的进程是一个状态变化的过程程序可长久保存。进程与程序组成不同进程的组成包括程序、数据和PCB(进程控制块)PCB是进程存在的唯一标志进程与程序的对应关系进程是程序在数据集上的一次执行通过多次执行一个程序可以对应多个进程通过调用关系一个进程可以包括多个程序。
举个例子正在运行的QQ音乐是一个进程正在登录微信也是一个进程。同时登录多个QQ就是多个不同的进程。
PCB(进程控制块)
PCB是进程存在的唯一标志当进程被创建时操作系统就会为其创建PCB但你进程结束时会回收其PCB。
当进程被创建时操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的进程id叫做pid。
操作系统要记录PID、进程所属用户IDUIDPID用来区分不同的进程还要记录给进程分配了哪些资源如分配了多少内存、正在使用哪些I/O 设备、正在使用哪些文件可以用于实现操作系对资源的管理还要记录进程的运行情况如CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等可以用于实现操作系统对进程的调度
这些信息都要被保存在一个数据结构PCB中PCB也叫做进程控制块。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到PCB中
PCB包含以下信息 进程标识符 外部标识符创建者提供便于记忆比如进程名可以基于执行的文件名内部标识符系统为每个进程分配一个唯一的pid 处理机状态信息 处理机在运行时许多信息都放在寄存器中。当处理机被中断时所有这些信息都必须保存在PCB 中以便在该进程重新执行时能从断点继续执行。 通用寄存器:用户访问用于暂存信息(进程运行的现场信息指令计数器存放了进程下执行的下一条指令的地址程序状态字含有状态信息如条件码执行模式中断屏蔽标志用户栈指针指每个用户进程都有一个或若千个与之相关的系统栈用存放过程和系统调用参数及调用地址栈指针指向该栈的栈顶。过程调用/系统调用/中断处理和返回时需要用 进程调度(控制和管理)信息 进程状态指明进程的当前状态作为进程调度和对换时的依据;进程优先级用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数优先级高的进程应优先获得处理机;进程调度所需的其它信息它们与所采用的进程调度算法有关比如进程已等待 CPU 的时间总和、进程已执行的时间总和等;事件阻塞原因 进程控制信息资源分配清单 程序和数据的地址;进程同步和通信机制:资源清单:除CPU以外的全部资源及已经分配到该进程的资源清单链接指针:本进程PCB所在队列中的下一个进程的PCB的首地址
PCB其实就是一个C语言的结构体这个结构体里存放着一个进程的信息
struct task_struct {// 进程标识符pid_t pid;// 当前进程的状态volatile long state;//打开文件信息struct files_struct *files;//进程的优先级.....
}一个系统中通常拥有很多个PCB。常用的组织方法有三种 线性方式 所有PCB组织在一张线性表中存表的首地址每次扫描整表 链接方式 执行指针、就绪队列、阻塞队列、空闲队列等 索引方式 根据状态不同建立索引表(就绪索引表、阻塞索引表
程序是如何运行的
一个进程的实体由PCB、程序段和数据段组成进程是动态的进程实体是静态的。进程实体可以反应进程在某一时刻的状态如a10,a后等于11
PCB是给操作系统使用的数据结构程序段和数据段是给进程自己使用的。
比如说我们编写一段C语言程序先要编译成一个.exe的可执行文件这个可执行文件是存放在硬盘里面的在运行这个.exe的可执行程序之前需要把程序放入内存当中。一个程序开始运行前需要为其创建对应的进程也就是创建对应的PCB。
除了PCB之外还需一个在内存中开辟一个程序段和数据段。这个程序段就包含了程序要执行的指令而数据段包含的是程序运行过程中产生的各种数据。 进程是进程实体的运行过程是操作系统分配资源的最小单位
进程的特征 动态性 动态性是进程最基本的特征进程是程序的一次执行过程是动态产生、变化和消亡的。 并发性 内存中同时有多个进程实体各个进程可以并发执行 独立性 每个进程都是独立运行互不影响的独立获得资源、独立接收系统调度 异步性 各个进程按各自独立的不可预知的速度向前推进也就是说在不考虑资源共享的情况下各个进程的执行是独立的操作系统要提供“进程同步机制”来解决一步问题异步性会导致并发程序的执行结果具有不确定性。 结构性 每个进程都会配置一个PCB结构上看进程由程序段、数据段、PCB组成
进程的状态和状态转换 创建态 一个进程被创建出来操作系统会为进程分配资源初始化PCB此时进程处于创建态 就绪态 当进程创建完成后就会进入就绪态处于就绪态的进程就已经具备了运行条件了但由于没有空闲CPU就暂时不能运行处于就绪态的进程获得了除CPU以外的所有资源 运行态 当CPU空闲时操作系统就会从就绪队列中选择一个处于就绪态的进程让它上CPU上运行此时这个真正运行的进程的状态就是运行态CPU会执行该进程对应的程序执行指令此时进程占有了CPU在内的全部资源在单核CPU的情况下同一时刻最多只能有一个进程处于运行态。 阻塞态 在进程运行的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它进程的响应。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 比如说打印机正在为别的进程服务此时另外一个进程2也想使用打印机因为此时打印机正在为别的进程服务没空处理这个进程的请求为了不让进程2占用CPU资源此时就会让这个进程2进入阻塞态。 此时CPU处于空闲状态的话操作系统就又会从内存中选择一个处于就绪态的进程上CPU行执行。 等使用打印机的进程结束了此时打印机资源就空闲下来此时操作系统就会将打印机资源分配给进程2此时进程2等待事件就已经发生了此时就把进程2从阻塞态变成就绪态 终止态 假设当进程1运行结束的时候它会发出一个exit的系统调用请求操作系统终止该进程此时该进程就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有回收改进程的PCBPCB消失说明进程已经彻底消失了。
五态模型 阻塞态—就绪态是一种被动行为运行态—阻塞态是一种进程自身做出的主动行为
需要注意的是不能由阻塞态直接转换为运行态也不能由就绪态直接装换为阻塞态。因为进入阻塞态是进程主动请求的必然需要进程在运行时才能发出请求
进程控制
进程控制的主要功能是对系统中的所有进程控制实施有效的管理它具有创建新进程、撤销已有进程、进程状态转换等功能。进程控制就是实现进程状态转换。
通过原语就能实现进程控制原语的执行具有原子性是不能不打断的。
进程状态装换为啥需要保证原子性
为啥进程控制状态装换的过程需要保证原子性
假设PCB6此时处于阻塞队列如下图如果此PCB6的等待事件发生那么负责进程控制的内核程序至少要做这样两件事。
将PCB6的状态修改为1将PCB6从阻塞队列放入就绪队列
那么如果执行完第一步的时候此时CPU收到了一个中断信号此时的PCB6的state1,确处于阻塞队列显然不合理可能会影响操作系统后续的一些操作。 如何实现原语的原子性
原语的执行具有原子性也就是执行过程中不允许被中中断。可以使用**“开中断”和“关中断”指令这两个特权指令实现原子性**。
正常情况cpu每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理如果有 则暂停运行当前这段程序转而执行相应的中断处理程序。
CPU如果执行了关中断指令就不在和以前一样每执行一条指令都会检查是否有中断信号需要处理而是直接继续往下执行对应的指令直到执行开中断指令才会恢复检查中断信号再执行中断处理程序。 为啥开中断关中断这两特权指令允许用户使用会发送什么
如果开关中断可以给用户使用的话那么用户只需在程序运行开始执行一条开中断指令在应用程序结束前才执行开中断那么这个用户的应用程序就会一直在CPU上运行。
进程控制相关原语
进程创建
创建原语
申请空白PCB获得唯一标识pid为新进程分配所需资源为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间初始化PCB设置进程的状态、设置进程属性、初始化寄存器和上下文等将PCB插入就绪队列
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为其建立一个新的进程作业调度多道批处理系统中有新的作用放入内存时会为其建立一个新的进程提供服务用户向操作系统提出某些请求时会创建新的进程处理请求应用请求用用户进程主动请求创建一个子进程
进程终止
撤销原语
撤销原语可以让进程从就绪态/阻塞态/运行态直接变成终止态
从PCB集合中找到终止进程的PCB若进程正在运行立即剥夺CPU将CPU分配给其它进程终止其所有子进程将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统删除PCB
引起进程终止的事件
正常结束进程自己请求终止exit系统调用异常结束整数除以0非法使用特权指令被操作系统强行杀死外界干预在Linux中kill掉一个进程
进程的阻塞和唤醒
阻塞原语和唤醒原语必须是成对使用的
进程的阻塞
阻塞原语
找到阻塞的进程对应的PCB保护进程运行现场将PCB状态信息设置为“阻塞态”暂停停止进程运行将PCB插入相应事件的等待队列
引起进程阻塞的事假
需要等待系统分配某种资源需要等待相互合作的其他进程完成工作
进程的唤醒
唤醒原语
在事件等待队列中找到PCB将PCB从等待队列中移除设置进程为就绪态将PCB插入到就绪队列等待被调度
引起进程唤醒的事件
等待事件的发生因何事阻塞就应由何事唤醒
进程的切换
切换原语
将运行环境进程上下文信息存入PCB包括程序计数器和其它寄存器信息。PCB移入相应队列选择另一个进程执行并更新PCB根据PCB恢复新进程所需要的运行环境
引起进程切换的事件
当前进程时间片到有更高优先级的进程到达当前进主动阻塞当前进程终止
进程切换的过程
保存处理机上下文包括程序计数器和其他寄存器更新PCB信息。把进程的PCB移入相应的队列如就绪、在某事件阻塞等队列选择另一个进程执行并更新其PCB更新内存管理的数据结构
程序是如何执行的
PSW记录当前程序状态PC程序计数器记录下一条要执行的指令
假设执行完指令2后另外一个进要上CPU上执行也要使用这些寄存器就可以把一些像PSW、PC、IR通用寄存器这些必要的信息保存到PCB当中再让新的进程调度到CPU上执行。 进程通信
进程间通信是指两个进程之间产生数据交互比如说王者荣耀登录时需要调用QQ或者微信进行登录这就涉及到进程间的通信。
进程间的通信为什么需要操作系统的支持?
进程是操作系统分配资源的最小单位因此各进程拥有的内存地址空间是相互独立的也就是说进程A不能直接访问进程B的地址空间这属于内存越界访问如果进程A只可以直接访问进程B的地址空间的话那么进程B的数据可能就会被进程A给破坏又或者说进程A把进程B的隐式数据给直接读取走。 共享存储
基于存储区共享
共享存储的进程通信方式指的是一个进程可以在内存中开辟一块内存空间共享存储区这个共享存储区可以被其它进程给共享。假设进程A要给进程B发送数据那么进程A就可以把要发送的数据写入到共享存储区进程B再从这个共享存储区读取数据。需要注意的是为了避免出错各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。基于存储区的共享是操作系统在内存中划出一块共享存储区数据的形式、存放位置都由通信进程控制而不是操作系统。这种共享方式速度很快是一种高级通信方式。这种通信方式自由度高开辟出来的共享存储区想怎么分配数据怎么存都有进程自己决定。 基于数据结构共享
基于数据结构的共享:比如共享空间里只能放个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多是一种低级通信方式。而这种通信方式自由度比较低就比如是一个Int数组的结果存储或者读取数据只能以Int为单位。 消息传递
直接通信方式
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。这种指明接收进程ID的消息传递方式叫做直接通信方式 进程A通过发送原语send发送消息给进程B这个发送原语会让操作系统接收到这个消息就会将这个进程A的msg复制到进程B的PCB中的消息队列里。 然后进程B通过接收原语receive指定接收进程A的消息那么就会从操作系统内核中的进程B的PCB中的消息队列中将进程A发送过来的msg拿到进程B的地址空间中。
间接通信方式
间接通信方式通过“信箱”间接地通信因此又称为“信箱通信方式”。通过信箱的方式间接的获取到另外一个进程的消息。
进程A通过系统调用向操作系统申请一个或者多个信箱通过发送原语把msg发送到信箱Q里面。 然后进程B通过接收原语从指定从信箱Q中接收消息从而获得msg。 通常来说操作系统是可以允许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。
管道通信
管道通信和水管类似只能从一边写数据或者从一边读数据不能同时写数据和读数据这种也被称之为半双工。 “管道”是一个特殊的共享文件又名pipe文件其实就是某一个进程通过系统调用的方式来申请一个管道文件操作系统会新建这个管道文件这个文件的本质在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区然后两个进程可以进程写数据和读数据这些数据是先进先出的。
管道通信和共享存储的区别
共享存储通信开辟的空间想往哪写就往哪写想从哪读就往哪读。
而管道通信只能安照指定的顺序写数据同时按照指定的方式读数据。其实管道底层使用循环队列这种数据结构实现的。
管道只能采用半双工通信如果要实现全双工通信就需要向操作系统申请两个管道文件各个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会阻塞直到读进程将管道中的数据取走即可唤醒进程当管道为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。管道中的数据一但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: 一个管道允许多个写进程一个读进程考试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)
线程概念
在很久以前没有引入进程时系统中各个程序只能串行执行。也就是我们不能边听音乐边写代码以及QQ聊天。
但是引入进程之后我们可以边听音乐边写代码还可以边听音乐边用QQ聊天。但QQ不仅可以聊天还可以进行视频和传输文件进程是程序的一次执行但这些功能显然不可能是由一个进程顺序处理就能实现的。
有的进程可能需要同时做很多事情而传统的进程只能串行的执行一系列程序因此引入了**“线程”来增加并发度**。
传统的进程是程序执行流的最小单位但引入了线程之后CPU的调度服务对象就不再是进程而是进程当中的线程那么线程就成为了程序执行流的最小单位。
为啥要引入线程
可以把线程理解成为**“轻量级进程”线程是一个基本的CPU执行单元**也是程序执行流的最小单位。
引入线程之后不仅是进程之间可以并发进程内的各线程之间也可以并发从而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)。 引入线程后进程只作为除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)这些资源都是分配个进程对的而不是线程的。
传统的进程之间并发需要切换进程的运行环境系统开销很大。因为进程之间的切换需要保存和恢复整个进程的上下文开销较大。而线程是在进程内进行调度和切换的基本单位线程切换的开销较小因为线程共享进程的上下文。
线程之间的并发如果是同一进程内的线程切换则不需要切换进程环境系统开销小。
引入线程后并发所带来的系统开销减小。
线程的属性
线程是处理机调度的单位 多CPU计算机中各个线程可占用不同的CPU 每个线程都有一个线程ID、线程控制块 (TCB) 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态 线程几乎不拥有系统资源 同一进程的不同线程间共享进程的资源 由于共享内存地址空间同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预 同一进程中的线程切换不会引起进程切换 不同进程中的线程切换会引起进程切换 切换同进程内的线程系统开销很小
切换进程系统开销很大。
线程的实现方式
用户级线程
早期的操作系统(如早期的unix)只执行进程不支持线程当时的线程是由线程库来实现的。
假设下面这段伪代码就是一个简单的线程库QQ要处理视频、聊天和问文件传输。
//伪代码
int main()
{int flag 0;while (true) {if (flag 0){// 处理视频聊天代码}else if(flag 1){// 处理问题聊天的代码}else if (flag 2){// 处理文件传输的代码}flag (flag1)%3;}return 0;
}假设下图是早期操作系统来实现QQ进程QQ的多线程是通过线程库来实现的线程库完成了对线程的管理工作比如说线程调度。很多编程语言提供了强大的线程库可以时间线程的创建、销毁、调度等功能。
需要注意的这里的用户线程是程序员写的一个线程库创建的是逻辑上的线程。
所以用户级线程的管理是通过应用程序来通过线程库来完成的线程的切换也不需要从用户态到内核态的切换由线程库在用户态来完成。当然操作系统也是看不到这3个逻辑线程的存在的操作系统只能看到这个进程的存在进程中有一堆代码。
用户级线程由应用程序通过线程库实现所有的线程管理工作都由应用程序负责 (包括线程切换)用户级线程中线程切换可以在用户态下即可完成无需操作系统干预。在用户看来是有多个线程。但是在操作系统内核看来并意识不到线程的存在。 “用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程
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并发度不高。多个线程不可 在多核处理机上并行运行。
内核级线程
内核级线程又叫**“内核支持的线程”**
内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。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。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
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。
多线程模型
一对一模型
一对一模型:一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同 数量的内核级线程。
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。 多对一模型
多对一模型:多个用户级线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级 线程。 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并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行 操作系统只“看得见”内核级线程因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
多对多模型
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。 多对多模型: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。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 可以这么理解: 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。
内核级线程才是处理机分配的单位列如多核CPU环境下上图这个进程最多能被分配两个核。
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十会阻塞。
线程的状态和转换
线程的状态的装换和进程的状态转换完全一致并且线程的状态我们只是关注最核心的三个状态运行、阻塞、就绪。 线程的组织与控制
线程的控制通过**线程控制块(TCB)**完成TCB中包含以下主要字段
线程标识符TID和PID类似程序计数器PC线程目前执行到哪里了 如果一个线程下CPU变成就绪或者阻塞状态就需要把CPU中PC的值保存到程序计数器PC当中如果一个线程又要上PCB上运行就要恢复线程的运行现场和运行环境就可以从TCB上取出PC放到PC寄存器里 其它寄存器线程运行的中间结果同理进行线程切换是需要保存中间的一些结果就是将一些其它寄存器里的值保存到TCB中堆栈指针堆栈保存函数调用信息局部变量等比如说A函数掉用了B函数就会被记录到堆栈中 用于存储线程的局部变量、函数调用信息和临时数据。比如说A调用B、B再调用C并且会记录每次函数调用的返回地址是什么同时每个函数的局部变量也会放到堆栈里线程的堆栈是比较大的全部放到堆栈指针里是没有必要的只需要保存堆栈定指针 线程运行状态运行/就绪/阻塞优先级线程的调度、资源分配的参考
程序计数器PC、其它寄存器、堆栈指针都是线程切换需要保存恢复的 通过线程表可以将多个TCB进行组织可没一个进程有一张TCB线性表又或者根据线程的状态组织一张线性表不同的操作系统实现方式不同。 进程和线程的区别
进程是操作系统分配资源的基本单位线程是程序执行的基本单位进程是包含线程的一个进程可以包含一个或者多个线程进程拥有内存空间和文件资源而线程共享进程的内存和文件资源进程之间的通信需要操作系统参与而线程之间可以直接共享进程的切换开销比较到需要保存上下文和状态而线程的切换代价比较小因为它们共享进程的资源。当两个线程是属于同一个进程因为虚拟内存是共享的所以在切换时虚拟内存这些资源就保持不动只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据
