OS-2 2.1进程
2.1 进程
进程的概念，特征和组成
进程的概念和特征
程序：是静态的，存放在磁盘里的可执行文件（一系列指令集合）
进程（process）：动态的（最本质的区别），是程序的一次执行过程。
进程实体（进程映像）：是静态的，是进程在某一时刻的状态。
进程支撑起了OS两大基本特性：并发性和共享性。
- 解决了：①失去封闭性。②执行过程间断性。③结果不可再现性。
生命周期：一个进程在生命周期内可以执行一个或多个程序。
区别“一个进程执行多个程序”≠“一个进程运行多个程序”
- 串行执行：一个时刻只执行一个程序，是先后替换关系
- 不是并行：不是同时运行多个程序（那是多线程或多进程的事）
| 一个进程执行多个程序 | 同一个进程（PID 不变），先后运行不同的可执行文件 |
|---|---|
| 父子进程 | 一个进程创建另一个新进程，两个进程同时存在（不共享地址） |
| 进程切换 | CPU 在不同进程之间轮换执行，由操作系统调度 |
题目1：⭐
A。一个进程在其生命周期中可执行多个程序√（见part1）
B。一个进程在同一时刻可执行多个程序×
C。一个程序的多次运行可形成多个不同的进程√（打开多个网页）
D。一个程序的一次执行可产生多个进程√（eg通过系统调用如fork()创建新的进程，此时就有了父进程和子进程）
题目2：
进程之间可能有相关性，也可能是相互独立的。
进程的相关性：血缘关系（父子） 或 协作关系（进程间通信）
进程的特征（相比于程序）
动态性。并发性。独立性。异步性。结构性。
异步性：并发进程每次运行时可能会有不同的结果。（执行速度的不同会造成进程执行顺序和冲突等问题）
进程（实体）的组成（逻辑视角）
进程的组成 – PCB(process control block 进程控制块)
①OS对进程进行管理工作所需的信息都保存在进程中。
②PCB是进程存在的唯一标志。当进程被创建时，os为其创建PCB，当进程结束时，会回收PCB。
- PID：OS在创建一个进程时候，会给其一个ID，即PID。（用于区分同一软件的不同进程）
③PCB内容：进程标志信息。进程控制信息。资源分配信息，CPU现场信息。
进程的组成 – 程序段、数据段
PCB是给OS用的
程序段、数据段是给进程自己用的。
程序段：程序的指令。数据段：运行过程中产生数据。（运行时细分 – 数据段+堆+栈+共享库）
- EG：同时挂3个QQ，PCB和数据段不同，但是程序段相同。
进程的内存映像（运行时布局）
概念：程序被加载运行时，OS会为其建立一个虚拟的内存空间。
进程虚拟空间由以下几个构成：
- 代码段：可执行指令、只读常量
- 数据段：全局变量，静态变量
- 堆：动态内存（可动态扩展和收缩，向上增长）
- 栈：存放局部变量，函数参数等临时信息。（可动态扩展和收缩，向下增长）
- 共享库的存储映射区：存放内存映射文件
**进程控制块(PCB)**，不属于进程的虚拟地址空间，而是存放在内核区，对用户不可见。
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进程的状态与转换
进程/线程的状态：创建 → 就绪 → 运行 → 阻塞 → 终止
进程在 CPU 上的执行不是连续的（进程切换，阻塞…)
但进程的生命周期（从创建到终止）本身是连续的
进程的状态
创建态：进程被创建时，OS为进程分配资源，初始化PCB
就绪态：进程创建完成后，为“就绪态”。有资源，无CPU。（CPU忙）
运行态：有资源+有CPU。
阻塞态：进程运行过程中，请求等待某个事件的发生（eg打印机响应），在事件发生前，进程无法继续执行，OS会让进程下CPU，并让它进入阻塞态，别的进程上CPU。
终止态：进程执行exit系统调用，请求OS终止该进程，此时进程进入终止态。OS回收进程。
进程状态的转换
运行态→阻塞态，是主动行为。
阻塞态→就绪态，是被动行为。
when运行态→就绪态：①时间片到时（==主动让出CPU）。②出现了进程优先级更高的进程。
when运行态→阻塞态：①IO操作。②互斥或同步引起的等待。
- details：进程执行wait（）后，若 未能获取资源→进入阻塞态。
when进程切换：运行态→就绪态。
题目2：
一个进程状态的变化会引起另一个进程的变化：运行态→终止态
一个进程状态的变化不会引起另一个进程的变化：阻塞态→就绪态
题目3：
（在分时系统中）处于就绪态的进程最多。（都在等待CPU，而阻塞态一般不会太多）
进程的组织
在实际OS中，通常存在着大量的进程，为进行调度和管理，OS将各进程的PCB以某种方式组织起来
链接方式：系统将处于相同状态的PCB通过指针链接成一个队列。
索引方式：系统为每种状态建立一个索引表（本质上是一个数组），表项指向对应状态的PCB。
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进程控制
进程控制和实现
进程控制：实现进程状态转换
如何实现：用“原语”实现
- 原语的执行具有“原子性”，即“一气呵成”。
- 用原语原因：防止在第①步接收中断信号，导致信息不统一的情况。
- 如何实现原语的“原子性”：通过特权指令“关中断”和“开中断”（屏蔽了外部中断信号）
进程控制相关的原语
创建原语
- （允许一个进程创建另一个进程）子进程和父进程是相互独立的实体，拥有各自的PCB和地址空间。
- 父子进程：独立但需通信，开销大但安全可靠。（fork()）
- 进程与线程：共享但需同步，开销小但需谨慎管理并发安全
撤销原语
- 进程终止时：
- 有的系统子进程终止。
- 有的系统（如Linux系统）子进程不终止而是由init进程（pid=1）收养继续执行。
阻塞原语和唤醒原语
阻塞原语往往包含“状态修改 + 调用切换原语”两个步骤
- 而切换原语也可以由其他原因触发（如时间片用完）
阻塞和唤醒两个原语必须成对使用。
某进程退出临界区后，之前因需要进入该临界区而被阻塞的有关进程会被唤醒
- 临界资源，一次只能给一个进程所用。
切换原语
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进程通信
进程通信：两个进程之间产生数据交互（eg抖音分享视频到微信）
进程通信需要OS支持：because各个进程拥有的内存地址空间是相互独立的
根据通信效率和数据量的不同，分为：
- 低级通信：传递控制信息（如同步，互斥），如PV操作。
- 高级通信：高效 传输大量数据。包括共享存储，消息传递和管道通信。
共享存储
– A.基于存储器的共享
申请一片共享内存区。
需保证各个进程对共享空间的访问是互斥的。（用户程序由自己负责引入同步控制和读写操作）
共享存储是三种方式中数据传输速度最快的。(消息传递和管道都需通过内核中转)
– B.基于数据结构的共享
消息传递
数据交换以格式化的消息（消息头，消息体）为单位。
进程通过OS提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。
直接通信方式
指明发送给谁，谁接收。
间接通信方式
以“信箱”作为中间实体进行消息传递。没有指明发送对象。
管道通信
是一个特殊的共享文件（pipe）。
- 但并非储存在磁盘中的文件，而是是在内存中开辟出一个大小固定的内存缓冲区。
相比于共享存储通信方式：是FIFO的。是单向（一条管道是半双工通信）（读取数据是一次性的）（共享存储是很多个收发口）。
①各进程互斥地访问管道【OS负责】（所以理论上是可以多进程访问的，但是容易出错，所以用互斥保证单线程访问 ）
②管道写满时，写进程将阻塞（读端read()返回0），till读进程取走部分数据。
②管道读空时，读进程将阻塞，till写进程写入新数据。【由此可见是固定大小的】【自动阻塞与唤醒】
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信号
基本概念
某个事件发生后，OS向进程发送信号。
实现原理
A.信号的发送
用户进程之间可以发送信号（受权限限制）
OS内核也可以给用户发送信号（如异常、除零错误，定时器超时等）
进程也可以给自己发送信号
B.信号的保存和处理（when）
信号不是立即处理的，先保存在PCB中。
进程从内核态返回用户态时，会检查pending表。
- 会优先处理序号较小的信号
C.信号的处理（HOW）
自定义信号处理程序：
自定义信号处理程序只能在自己的进程使用。
有些信号不支持自定义处理程序。
OS对有些信号的处理是可以忽略的。
某个进程要阻塞的信号也不一样，自定。
信号可以作为异常的配套机制，让进程对OS的异常处理进行补充
- （当有的异常，OS无法由内核全部处理时）
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线程
基本概念
线程 – 使进程并发
概念：
==线程不拥有独立的系统资源（如(内存）地址空间，打开的文件..)==
- 资源通过共享的方式获取。（eg代码段，数据段..)
==但拥有运行所必须的私有数据结构TCB【包括：线程ID，CPU现场（PC，寄存器集合）栈…】==（所以可以独立执行程序，但是不能脱离进程进行。）
进程VS线程：
- 线程变成了CPU调度的基本单位（最小单位）
- 进程是资源分配的基本单位（eg打印机，内存分配）
线程优点：
并发性增强。（不仅仅进程能并发了，线程直接也能并发）
系统开销变小。（同一进程内的切换开销 小于 进程的切换开销）
线程注意：
- 不能无约束地并行，得有互斥和同步，以免造成数据不一致。
线程的属性
线程的实现方式
用户级线程
早期的线程os创建不了线程，是应用程序（线程库）实现/创建的线程。
优点：①效率高（线程的切换不需要变态（到核心态））②调度策略由应用程序定制。③有可移植性（可以在任何操作系统中运行）
缺点：①一个线程被阻塞，这个进程都会被阻塞，并发度不高。②多个线程不可以在多核处理机上并发运行。
内核级线程
OS支持的线程，内核级线程。
OS会为每个内核级线程建立相应的TCB（thread control block），通过TCB对线程进行管理。
优点：①（同一个进程的）多线程可在多核处理机上运行。②阻塞处理灵活。③并发度高（适合I/O 密集型等高阻塞场景）
缺点：效率低（线程的切换需要变态）。
多线程模型
用户级线程和内核级线程的组合。
一对一模型
一个用户级线程映射到一个内核级线程。
优点：当一个线程被阻塞，别的线程还可以继续执行，并发能力强。
缺点：开销大（变内核态）
多对一模型
多个用户级线程映射到一个内核级线程。
优点：用户级线程切换不用变态，开销小，效率高。
缺点：一个用户级线程被堵塞，整个进程被堵塞，并发度低。
多对多模型
n个用户级线程映射到m个内核级线程（n≥m）
优点：克服了多对一的缺点（整体堵塞），克服了一对一缺点（变态开销大）
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线程的状态与转换
基本上同进程的状态与转换
线程的组织与控制
