OS-2 2.1进程
2.1 进程
1.进程的概念，特征和组成
a.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（pid不同），==父子进程并发地执行，且不共享虚拟地址== |
| 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产生多个进程√（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）
b.进程实体 的组成（逻辑视角）
进程实体 == PCB + 程序段 + 数据段
PCB(process control block ==进程控制块==)
OS对进程进行管理工作所需的信息都保存在进程中。
==PCB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）
==PCB有四个部分：== ①进程标志信息。②进程控制信息。③资源分配信息。④CPU现场信息（各种寄存器的值） /上下文信息。
- 不包括：全局变量。
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。【进程间的程序段可以共享】
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）【每个进程的数据段是私有的】
- EG：同时挂3个QQ，PCB和数据段不同，==但是程序段相同。==
c.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。==**
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==。
- ==数据堆==：==动态内存==。（用malloc分配）（可动态扩展和收缩，向上增长）
- ==数据栈==：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。
回顾
2.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
- ==创建进程的原因有：==①用户登录，②高级调度，③系统处理用户程序的请求，④用户程序的应用请求。
- （设备分配：不会创建进程，是IO部分的事情。）
==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 / 资源分配。（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。
- 进入阻塞态后：==无CPU + 无资源==
==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==。【由自身发起的系统调用触发。因此只有处于运行态的进程才能执行阻塞操作。】
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==：==① 进程主动等待资源分配（如IO，互斥/同步数据）。②或者等待某个事件发生（如sleep，wait）
题目2：
when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
when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。
回顾
3.进程控制
a.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==
- 用原语的原因：原语的执行具有“原子性”，即“一气呵成”。【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）
==注：原语是一种特殊的程序。==
b.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。
- 引起进程创建的操作：用户登录。作业调度。提供服务。应用请求。（设备分配是数据结构实现的，no）
撤销原语
进程终止时，不同操作系统的对子进程的处理方式：
- 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
回顾
4.进程通信
一个行不通的方法是全局变量，因为全局变量是相对于某一个进程而言的，不同进程有不同的全局变量。
==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。
a.共享存储(2)
– A.基于存储器的共享
==申请一片共享内存区==，并映射到进程的虚拟地址空间。
需保证==各个进程对共享空间的访问是互斥的==。 （程序员/高级库/进程通过调用OS提供的同步原语来保证互斥，==通信进程自己实现互斥==）
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)
（OS只负责分配，不提供同步保护）
– B.基于数据结构的共享
b.消息传递(2)
==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==。
（目前广泛应用，eg微内核与服务器之间的交互就是基于消息传递）
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。
c.管道通信(1)
是一个特殊的 ==共享文件（pipe）==
- 但并非储存在磁盘中的文件，==是在 内存 中开辟出一个大小固定的内存缓冲区。==【与磁盘无关】
相比于共享存储通信方式：是FIFO的。单向的。**==【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负责实现互斥】==（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】==**
回顾
d.信号
用于通知进程某个特定事件已经发生
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。如果有信号，就==处理信号。==
- 优先处理序号较小的信号
C.信号的处理（HOW）
- ① 执行OS为此类信号设置的(默认)缺省信号处理程序（不过有的信号默认忽略不用处理）
- ② 执行进程为个别信号设置：用户自定义信号处理程序（将覆盖掉①）
- 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。（只能执行系统默认的处理程序）
Notes：
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，可能还需要用户进程的配合）
回顾⭐
5.线程
基本概念
线程 – 使进程并发pro
概念：
线程 ==不拥有== 独立的 ==系统资源（如(内存）地址空间，代码，数据)==
- 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…】
线程==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调度和分派==的基本单位**（最小单位）。（内核级线程）
- 进程是**==资源分配==的基本单位**（eg打印机，内存分配）
线程优点：
==并发粒度更细==。（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）
线程缺点：
- ==无法增强进程安全性==（线程出错可能影响进程）
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(2to3)
用户级 线程⭐
早期的线程os创建不了线程，是==线程库/用户程序实现的线程==。【不依赖于OS的支持，**==即不需要切换到内核态，在用户态实现的==**】
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，不经修改，直接运行）
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==利用不了多CPU的并行性==。
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）==。
注意区分：==用户级线程切换，内核级线程切换==
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）==
回顾
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
