2.进程和线程
2.0 引入
2.0.1 顺序执行
- 特征
- 顺序性
- 封闭性：独占整机资源
- 可再现性：只要在相同的环境与初始条件下，执行结果相同
- 顺序执行的场合：单道批处理系统
2.0.2 并发执行
- 特征
- 与上述顺序执行完全相反
2.1 进程(Process)
2.1.1 定义
-
chatGPT版：一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动
-
人话版：程序在并发环境中的执行过程& 进程是程序的一次执行
2.1.2 特征
- 动态：创建产生，调度执行，撤销消亡
- 并发：多个进程存在同一内存中运行
- 独立：独立运行、获得资源、接受调度的基本单位
- 异步：不可知速度推进，程序执行失去再现性
注：配置同步机制，能保证结果可再现
2.1.3 进程与程序
- 动态和静态
- 暂存与长存
- 一个程序可能有多个进程
2.1.4 进程状态
-
基本状态
- 基本状态的转换
注：阻塞->运行 漏！ 就绪->阻塞 漏！
- 五种状态的转换
-
挂起状态(Suspend)
- 定义
所谓挂起，是使处于基本状态的进程（就绪、运行、阻塞/睡眠）处于静止（非终止）状态，此时系统回收被这些进程占用的内存资源，将其实体复制到外存的进程交换区。挂起不等于撤销，可通过解挂（换入，或称激活，Active）重新分配内存。
- 挂起原因
终端用户的请求，父进程请求，负荷调节的需要，操作系统的需要
- Block Vs Suspend
- 对系统资源占用不同：虽然都释放了CPU，但阻塞的进程仍处于内存中，而挂起的进程通过“对换”技术被换出到外存（磁盘）中。
- 发生时机不同：阻塞一般在进程等待资源（IO资源、信号量等）时发生；而挂起是由于用户和系统的需要，例如，终端用户需要暂停程序研究其执行情况或对其进行修改、OS为了提高内存利用率需要将暂时不能运行的进程（处于就绪或阻塞队列的进程）调出到磁盘 。
- 恢复时机不同：阻塞要在等待的资源得到满足（例如获得了锁）后，才会进入就绪状态，等待被调度而执行；被挂起的进程由将其挂起的对象（如用户、系统）在时机符合时（调试结束、被调度进程选中需要重新执行）将其主动激活。
-
拓展：进程状态举例
- UNIX进程状态转换
- Linux进程状态转换
2.1.5 进程描述
- 进程映像·
- 程序
- 数据集
- PCB(Process Control Block)：描述进程的动态性的数据结构，描述进程当前的状态、本身的特性、对资源的占用及调度信息等，称为进程控制块
- 栈：用来保存过程调用和相互传送参数的踪迹
- PCB（进程控制块）介绍
PCB是一个数据结构，一般应包括：
① 进程名。它是唯一的标志，对应进程的一个标志符（name）或数字（ID）。
② 特征信息。包括是系统进程还是用户进程，进程实体是否常驻内存等信息。
③ 进程状态信息。表明该进程的执行状态status，是运行状态、就绪状态还是阻塞状态。
④ 调度优先权。表示进程获取CPU 的优先级别priority。
⑤ 通信信息。comm_info,反映该进程与哪些进程有什么样的通信关系，如等待哪个进程的信号等。
⑥ 现场保护区。当对应进程由于某种原因放弃使用CPU 时，需要把它的一部分与运行环境有关的信息保存起来，以便在重新获得CPU 后恢复正常运行。通常被保护的信息有程序计数器PC、程序状态字PSW、各工作寄存器的内容等。
⑦ 资源需求、分配和控制方面的信息，own_resource，如进程所需要或占有的I/O 设备、磁盘空间、数据区等。
⑧ 进程实体信息。Start_addr，指出该进程的程序和数据的存储情况，在内存或外存的地址、大小等。
⑨ 族系关系。Process_family,反映父子进程的隶属关系。
⑩ 其他信息。如文件信息、工作单元等。
- PCB（进程控制块）作用
- 每个进程有唯一的进程控制块
- 操作系统根据PCB管理进程
- 进程的动态、并发等特征通过PCB表达
- PCB是进程存在的唯一标志。创建即建立PCB，终止即消亡PCB
- 举例：Linux系统PCB设计
2.1.6 进程切换
-
名称解析
- 进程的上下文(Context)
当一个进程在执行时，CPU的所有寄存器的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为进程的上下文Context
- 进程的切换(switch)
当内核需要切换(switch)至另一个进程时，它就需要保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够恢复到切换时的状态执行下去。
-
进程队列
系统中有许多进程。处于就绪状态和处于阻塞状态的进程可以分别有多个，而阻塞的原因又各不相同。为了对所有进程进行有效的管理，常将各个进程的PCB 用适当的方式组织起来，称为进程队列
- 线性方式
采用顺序存储结构，操作系统预先确定整个系统中同时存在的进程的最大数目如n，静态分配空间时，把所有进程的PCB 都放在这个队列表中。
缺点：限定系统中最大进程数目；CPU调度时需要对整个表进行遍历。
- 链接方式
采用链表结构，按照各进程的不同状态分别将它们的PCB 放在不同的链表队列中。
在单CPU 情况下，处于运行状态的进程只有一个，可用一个指针指向它的PCB。
处于就绪状态的进程队列通常是一个（也可能多个）。
阻塞队列对应不同的阻塞原因通常有多个。
- 索引方式
索引方式利用索引表记载不同状态进程的PCB 地址。即系统建立几张索引表，如就绪索引表、阻塞索引表等。状态相同的进程的PCB 组织在同一索引表中，每个索引表的表目中存放一个PCB 地址。各索引表在内存的起始地址放在专用的指针单元中。
-
举例：Linux进程队列设计
以Linux0.11为例：计算机对进程的感知是依靠PCB结构（即task_struct)，Linux使用了一个线性表task来存放多个进程的PCB。
在<kernel/sched.c>中定义：
struct task_struct* task[NR_TASKS] = {&(init_task.task), };
这样操作系统就可以通过task来找到任何一个进程了。表中设置了一个&(init_task.task)指向初始进程的指针，表示初始进程存放在task[0]中。
为了清晰的描述这个线性表的头和尾，Linux0.11又定义了两个宏。
<include/kernel/sched.h>
#define FIRST_TASK task[0]
#define LAST_TASK task[NR_TASKS-1]