1.进程概述

1.1 进程的概念和特征

概念：进程就是可以并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位。进程的结构如下图所示。

对于进程的定义，不同的角度有不同的定义，还有以下较典型的定义：
1）进程是程序的一次执行。
2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3）进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单元。
特征：
1）结构性。每个进程都配置一个PCB对其进行描述，从结构上看，进程实体是由程序段、数据段和进程控制块三部分组成的。
2）动态性。进程是程序的一次执行，它有着创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，是动态地产生、变化和消失的。是进程最基本的特征。
3）并发性。指多个进程实体同时存于内存中，能在一段时间内同时运行。
4）独立性。指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。
5）异步性。就是说各个进程独立运行，在系统中“走走停停”，运行顺序并不确定。

1.2 进程的状态

进程在其生命周期内，由于系统中各进程之间的相互制约关系及系统的运行环境的变化，使得进程的状态也在不断的发生变化，通常有以下5种状态：
1）运行态。进程正在处理机上运行。
2）就绪态。进程获得了除处理机外的一切所需资源，一旦得到处理机，便可立即执行。
3）阻塞态。进程正在等待某一事件而暂停运行。
4）创建态。进程正在被创建，尚未转到就绪态。
5）结束态。进程正从系统中消失，可能是进程正常结束或其他原因中断推出运行。
转换如图所示：

1.3 进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
1)进程的创建
允许一个进程创建另一个进程。此时创建者称为父进程，被创建的进程称为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源。当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的资源归还给父进程。此外，在撤销父进程时，必须同时撤销其所有的子进程。
2) 进程的终止
引起进程终止的事件主要有：① 正常结束，表示进程的任务已完成并准备退出运行。②异常结束，表示进程在运行时，发生了某种异常事件，使程序无法继续运行，如存储区越界、护错、非法指令、特权指令错、运行超时、算术运算错、I/O故障等。③外界干预，指进程外界的请求而终止运行，如操作员或操作系统干预、父进程请求和父进程终止。
3) 进程的阻塞和唤醒
正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作可做等，由系统自动执行阻塞原语（Block),使自己由运行态变为阻塞态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU),才可能将其转为阻塞态。
4)进程切换
对于通常的进程而言，其创建、撤销及要求由系统设备完成的I/O操作，都是利用系统调用而进入内核，再由内核中的相应处理程序予以完成的。进程切换同样是在内核的支持下实现的，因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。进程切换是指处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，在这个过程中，进程的运行环境产生了实质性的变化。

1.4 进程的组织

进程是一个独立的运行单位，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。由以下三部分组成，其中最核心的是进程控制块PCB。
1） 进程控制块
进程创建时，操作系统为它新建一个PCB,该结构之后常驻内存，任意时刻都可以存取，并在进程结束时删除。PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。
进程执行时，系统通过其 PCB了解进程的现行状态信息，以便对其进行控制和管理；进程结束时，系统收回其PCB,该进程随之消亡。操作系统通过PCB表来管理和控制进程。
当操作系统欲调度某进程运行时，要从该进程的PCB中查出其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；进程在运行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步、通信或访问文件时，也需要访问PCB:当进程由于某种原因而暂停运行时，又需将具断点的处理机环境保存在PCB中。可见，在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对程进行控制的，亦即系统唯有通过进程的PCB才能感知到该进程的存在。
2）程序段
程序段就是能被进程调度程序调度到 CPU 执行的程序代码段。注意，程序可被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序。
3）数据段
一个进程的数据段，可以是进程对应的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果。

1.5 进程的通信

进程通信是指进程之间的信息交换。高级通信方式是指以较高的效率传输大量数据的通信方式。高级通信方法主要有以下三类。
1）共享存储
在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行写／读操作实现
进程之间的信息交换，在对共享空间进行写／读操作时，需要使用同步互斥工具，对共享空间的写／读进行控制。共享存储又分为两种：低级方式的共享是基于数据结构的共享；高级方式的共享则是基于存储区的共享。操作系统只负责为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，而数据交换则由用户自己安排读／写指令完成。
2）消息传递
在消息传递系统中，进程间的数据交换是以格式化的消息（Message)为单位的。若通信的进程之间不存在可直接访问的共享空间，则必须利用操作系统提供的消息传递方法实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。
（1）直接通信方式。发送进程直接把消息发送给接收进程，并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上，接收进程从消息缓冲队列中取得消息。
（2)间接通信方式。发送进程把消息发送到某个中间实体，接收进程从中间实体取得消息。这种中间实体一般称为信箱，这种通信方式又称信箱通信方式。该通信方式广泛应用于计算机网络中，相应的通信系统称为电子邮件系统。
3）管道通信
官道通信是消息传递的一种特殊方式.所谓“管道”，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间的通信的一个共享文件，又名pipe文件。向管道（共享文件）提供输人的发送进程（即写进程），以字符流形式将大量的数据送入（写）管道；而接收管道输出的接收进程（即读进程）则从管道中接收（读）数据。为了协调双方的通信，管道机制必须提供以下三方面的协调能力：互斥、同步和确定对方的存在。

1.6 线程的概念

引入进程的目的是为了更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量；而引入线程的目的则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。
线程最直接的理解就是“轻量级进程”，它是一个基本的CPU 执行单元，也是程序执行流的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。线程也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。
引入线程后，进程的内涵发生了改变，进程只作为除 CPU 外的系统资源的分配单元，而线程则作为处理机的分配单元。由于一个进程内部有多个线程，若线程的切换发生在同一个进程内
部，则只需要很少的时空开销。

1.7进程与线程的比较

由于线程具有许多传统进程所具有的特征，所以又称之为轻型进程或进程元，相应地，把传统进程称为重型进程.它相当于只有一个线程的任务。下面我们从调度性、并发性、系统开销和拥有资源等方面对线程和进程进行比较。
1）调度的基本单位
在传统的 OS中，进程是作为独立调度和分派的基本单位，因而进程是能独立运行的基本单位。在每次被调度时，都需要进行上下文切换，开销较大。而在引入线程的OS中，已把线程作为调度和分派的基本单位，因而线程是能独立运行的基本单位。当线程切换时，仅需保存和设置少量寄存器内容，切换代价远低于进程。在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，必然就会引起进程的切换。
2）并发性
在引入线程的OS中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，甚至还允许在一个进程中的所有线程都能并发执行。同样，不同进程中的线程也能并发执行。这使得 OS具有更好的并发性，从而能更加有效地提高系统资源的利用率和系统的吞吐量。例如，在网页浏览器中，可以设置一个线程来显示图像或文本，再设置一个线程用于从网络中接收数据。
3）拥有资源
进程可以拥有资源，并作为系统中拥有资源的一个基本单位。然而，线程本身并不拥有系统资源，而是仅有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。比如，在每个线程中都应具有一个用于控制线程运行的线程控制块TCB、用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。线程除了拥有自己的少量资源外，还允许多个线程共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：属于同一进程的所有线程都具有相同的地址空间，这意味着，线程可以访问该地址空间中的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的资源，如已打开的文件、定时器、信号量机构等的内存空间和它所申请到的I/O设备等。
4)独立性
在同一进程中的不同线程之间的独立性要比不同进程之间的独立性低得多。这是因为，为防止进程之间彼此干扰和破坏，每个进程都拥有一个独立的地址空间和其它资源，除了共享全局变量外，不允许其它进程的访问。但是同一进程中的不同线程往往是为了提高并发性以及进行相互之间的合作而创建的，它们共享进程的内存地址空间和资源，如每个线程都可以访问它们所属进程地址空间中的所有地址，如一个线程的堆栈可以被其它线程读、写，甚至完全清除。由一个线程打开的文件可以供其它线程读、写。
5)系统开销
在创建或撤消进程时，系统都要为之分配和回收进程控制块、分配或回收其它资源，如内存空间和I/O设备等。OS为此所付出的开销，明显大于线程创建或撤消时所付出的开销。类似地，在进程切换时，涉及到进程上下文的切换，而线程的切换代价也远低于进程的。例如，在 Solaris 2 OS中，线程的创建要比进程的创建快30倍，而线程上下文切换要比进程上下文的切换快5倍。此外，由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间，线程之间的同步和通信也比进程的简单。因此，在一些OS中，线程的切换、同步和通信都无需操作系统内核的干预。
6)支持多处理机系统
在多处理机系统中，对于传统的进程，即单线程进程，不管有多少处理机，该进程只能运行在一个处理机上。但对于多线程进程，就可以将一个进程中的多个线程分配到多个处理机上，使它们并行执行，这无疑将加速进程的完成。因此，现代多处理机 OS都无一例外地引入了多线程。