作業系統學習筆記（一） 進程與執行緒模式

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進程可以說是作業系統最為核心的一個抽象，而線程可以認為是一種輕量級的進程，或者說一個進程內的多個迷你進程。

一、進程的模型

進程(process):進程是一個正在啟動並執行程式的執行個體。對於一個單核的處理器，每個時刻只能運行一個程式，但在每一個時間段，它可能運行多個進程，這樣就產生了並行的錯覺。

從概念上說，每個進程擁有自己的虛擬CPU，好像它獨佔了CPU的使用權一樣，雖然實際的CPU是不斷切換的。進程的另外一大特性，是獨立的虛擬位址空間。

進程的建立

有四種事件導致進程的建立：
（1）系統初始化。系統初始化會建立許多進程，如windows剛開機的時候。

（2）執行了正在啟動並執行進程所調用的系統調用。如程式運行了一個fork()調用。

（3）使用者請求建立一個進程。如命令列中輸入./a.out。

（4）一個批次工作的初始化。

進程的終止

進程是正在啟動並執行程式的執行個體，一個程式是會運行完的，所以進程也有終止的時候：

（1）正常退出（自願）。如程式正常結束。

（2）出錯退出（自願）。如編寫一個程式，當錯誤時調用exit(num)。

（3）嚴重錯誤（非自願）。

（4）被其他進程殺死（非自願）。如另外一個進程調用了kill(pid)。

進程的階層

不同作業系統有不同的概念。Linux系統中區分父進程與子進程，windows系統則不區分。

進程的狀態

進程有三種主要狀態：

（1）運行態：正在CPU上啟動並執行進程。

（2）就緒態：已經就緒但是還沒有被發送器選中。

（3）阻塞態：因為某種原因（如等待I/O完成）暫時無法執行，需要等待外來事件。

下面有一幅圖畫出了可能的轉換關係。需要注意的是，阻塞態的進程必須先進入就緒態，等待處理器的調度。

進程的實現

進程的實現，相對於線程來說是比較確定的。作業系統核心維護一個進程表，也稱為進程式控制制塊（PCB）。進程表項為一個進程啟動的必要資訊，包括進程管理（寄存器，PC，PSW，調度資訊，開啟檔案的狀態等）、儲存管理（程式碼片段、資料區段、堆棧段指標等）、檔案管理（目錄、PID等）資訊。

當進程從運行態進入其他狀態時，PCB儲存著啟動它的所有資訊，當該進程再次被發送器選中時，就要恢複這些資訊。儲存的步驟，包括：硬體壓入PC等，把中斷向量裝入新的PC，然後通過組合語言儲存寄存器並設定新的堆棧，運行中斷服務程式（通常為C），再通過發送器選中一個進程，把它的運行資訊載入寄存器以及PC等。

二、線程的模型

線程的使用，是因為進程建立、撤銷、切換的代價很大，並且需要共用記憶體空間和資料，以及提高運行速度。一個例子是Web伺服器，它如果採用進程的方式，那麼一個頁面請求被響應時，進程就進入了阻塞態，從而無法提供其他服務。而採用線程，可以使用一個線程接受請求，然後把請求指派給背景工作執行緒，實現同時響應，並且共用記憶體。

執行緒模式基於兩個概念：資源分組處理與執行。線程的目的，是共用資源，並共同完成一個任務。

線程與進程非常類似，不過比進程輕量，原因在於：進程擁有獨立的虛擬位址空間，而同一個進程中的線程，共用記憶體空間與資源。因此，線程只需要儲存PC、寄存器、堆棧等，無需儲存大量的檔案、進程管理資訊。線程之間也是沒有保護並且平等的，因為它們共用了同樣的資源，包括開啟的檔案、子進程等。

POSIX（portable operating system interface of UNIX）規定了UNIX系統的通用線程包pthread。

線程的實現

線程的實現，總的來說有兩種：在使用者空間中實現線程，以及在核心中實現線程。

使用者空間中實現線程

這種情況下，核心是不知道線程存在的，調度單位是進程。因此，為了體現多線程的作用，就必須考慮阻塞的問題。

因為使用者管理線程，所以每個進程都要有線程表，與進程表類似，不過記錄的內容比較少。

使用者級線程的優點有很多：

（1）可以在不支援線程的系統上運行。

（2）速度非常快，因為它不需要陷入核心，不需要環境切換，也不需要cache重新整理。

（3）可以允許每個進程定製自己的線程調度演算法。

當然，因為核心不知道線程的存在，需要解決阻塞的問題，可以通過非阻塞系統調用，或者檢查調用是否會阻塞（如select，封裝器）。

另外，因為核心不知道線程的存在，進程內部沒有時鐘中斷，所以線程必須主動讓出CPU，不然其他線程無法搶佔。

核心中實現線程

核心中實現線程，即在核心中維護一個線程表，而進程不維護。與使用者空間中實現相比，優缺點基本是相反的。

核心中的實現，自然不需要非阻塞I/O，但是代價就是，線程的操作花銷很大。

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