操作系统2：进程/线程¶
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Chapter 3. Process 进程¶
3.1 进程的定义¶
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进程是一个在执行中的程序
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放在外存的程序就不是进程，进程可以理解为进行中的程序
- 是计算机工作的基本单位，和job，task，user program等概念相同
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是一个包含了一系列指令和一些资源的容器
- 是一个抽象实体，执行任务的时候，将要分配和释放各类资源
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进程包括以下内容：
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程序代码(text section)
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程序计数器 PC
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寄存器
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数据区，存储全局变量
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栈区，存储临时变量
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堆，动态分配的内存(C语言中的malloc)
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在内存中的示例图
- 进程的状态：
- 几种状态
- new 新建，创建一个新进程
- running 运行、执行：执行指令的状态
- ready 就绪，准备好被分配给一个CPU执行
- waiting 等待，等待一些事件结束后再执行
- terminated 中止，执行结束
- 会引起状态变化的操作：
- 程序中的操作，比如系统调用
- OS操作，比如调度的决策
- 外部操作，比如中断
- 状态迁移的图解：
- 假设一个单CPU的计算机，OS进程有运行就绪等待三个状态，假设某个时刻该系统有10个进程并发执行：
- 处于执行状态的最多有1个，处于就绪/等待状态的最多有9个
3.1.1 进程控制块 PCB¶
- 每个进程在操作系统内用进程控制块来表示
- 进程控制块PCB包含如下信息：进程状态，PC，CPU寄存器，调度信息，内存管理信息，accounting信息，文件管理，I/O统计信息
- 在Linux内核中，进程的信息用一个C语言中的结构
task_struct来表示，定义在头文件<linux/sched.h>中，各个进程之间构成一个双向链表
3.2 进程调度 Scheduling¶
- 调度队列：
- 作业队列：系统中所有进程的队列
- 就绪队列：在内存中处于就绪状态得进程的队列
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设备队列：等待I/O设备的进程的队列
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三种scheduler
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(作业题)进程调度需要将进程在ready、running、blocked三种状态之间切换¶
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长程调用/作业调度：现代操作系统已经没有使用长程调度了
- 短程调度：又叫CPU调度，选择下一个将要被CPU执行的进程
- 中程调度
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另一种分类方式：
- I/O型进程：主要事件花在IO上
- CPU型进程：主要时间花在CPU处理上
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上下文切换：
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当切换到另一个进程的时候，系统必须要保留上一个进程的状态，同时又载入新进程的状态
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在PCB中表示
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耗时取决于硬件的支持
- A context switch occurs when the CPU switches from one process to another.
3.3 进程操作 Process Operation¶
3.3.1 进程的创建¶
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父进程可以创建子进程，并可以形成一棵进程树，每个进程有唯一标识号pid
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pstree命令可以查看进程树
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fork：创建进程的系统调用
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int pid1 = fork();- 事实上就是把当前进程分出了一个新的子进程，一个程序变成了两个进程，其中一个是父进程一个是子进程
- 一个进程调用
fork()函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己
- 返回值是一个pid1，从系统调用fork中返回的时候，两个进程除了返回值pid1不同以外具有完全相同的用户级上下文，子进程中pid1为0，父进程中pid1的值就是子进程的pid
int main() {
int pid1 = fork();
if(pid1 < 0) {
cout << "Failed!" << endl;
} else if(pid1 == 0) {
// chidren proccess
} else {
// parant process
}
}
3.3.2 进程的终止¶
- 引起进程终止的事件：
- 正常结束、异常结束、外界干预
exit(0)退出进程- 系统调用wait()
- 通过wait父进程可以等待子进程结束，wait调用会返回进程的状态信息和结束进程的pid
- 这使得父进程可以等待并回收子进程的资源
- 父进程一旦调用了
wait()就立即阻塞自己，由wait自动分析是否当前进程的某个子进程已经退出，如果让它找到了这样一个已经变成僵尸的子进程，wait就会收集这个子进程的信息，并把它彻底销毁后返回；如果没有找到这样一个子进程，wait就会一直阻塞在这里，直到有一个子进程出现并结束为止
- 子进程中止而父进程尚未调用wait就会使得子进程变成一个僵尸进程(zombie process)
- 父进程中止而没有调用wait就会产生一个孤立进程(orphan process)
安卓操作系统的进程重要度分级架构——优先中止最不重要的进程
- Foreground process 正在运行的进程
- Visible process 可视化的UI组件等等
- Service process 后台提供服务的进程
- Background process
- Empty process 空进程
3.4 进程间通信 Interprocess Communication¶
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进程的分类
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独立进程：不能被其他进程影响，也不能跟其他进程交互
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合作进程：进程之间可以进行通信
- 信息共享、方便性
- 计算加速
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进程间通信 IPC
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通信分为直接通信和间接通信
- 直接通信就是进程之间直接发送信息，间接就是还有中介，比如内存、邮箱共享等
- 两种通信的模型：共享内存模型和消息模型
- 常用的通信机制：
- 信号 signal
- 共享存储区 shared memory
- 管道 pipe
- 消息 message
- 套接字 socket
- 是个操作系统都有的通信机制：信号量、消息队列、共享内存
- 在Linux操作系统中，还有：
- 文件锁 file lock 问题是速度很慢，因为文件是磁盘I/O
- POSIX线程：互斥锁(mutex)，条件变量
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Windows 的进程间通信
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信号：一系列Windows API
- 文件映射机制：可以将整个文件映射为进程虚拟地址空间的一部分来加以访问
- 无名管道：类似于UNIX的管道，与此相对的Windows还有命名管道
- 邮件槽 mailslot
- 剪贴板 Clipboard：暂时保存了一些文本
具体的栗子¶
- 有限缓冲区Bounded-Buffer，缓冲区的大小有上限
- 生产者-消费者问题：生产者进程制造出新信息，消费者使用新的信息
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用类似于循环队列的数据结构控制内存的访问
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消息传送：分为阻塞的和非阻塞的(block & unblock)
- 阻塞的消息传递：同步的
- send需要发送方阻塞直到消息被接收
- receive需要接收方阻塞直到有消息送到
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非阻塞的消息传递：异步的
- 发送方发送之后直接继续，接收方不断接受到有效/无效的消息
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Socket 作为交流的endpoint
- Socket中包含了IP地址和端口，端口是一个包含了数据包起点的数字
- 标号为1024以下的端口是常用端口，用来提供标准服务
- 特殊的IP地址127.0.0.1表示正在运行进程的系统
- 交流需要通过一系列的Socket来实现
Chapter 4：Thread & Concurrency 线程和并发¶
4.1 Overview¶
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进程是资源的拥有单位和调度(Dispatching)单位
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进程由虚拟地址空间，控制一些资源，有状态、优先级和调度
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进程是由一个或者多个程序的一次支持，可以和其他进程交替执行
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线程thread
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资源拥有单元称为进程，调度的单位称为线程，也叫做轻型进程LWP
- 一个传统进程，或者叫重型进程HWP和线程中的一个任务等价
- 线城市进程内的一个执行单元或者一个可调度的实体
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线程只拥有必要的资源，但是可以和同一个进程下的其他线程共享进程拥有的全部资源
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线程的特点：¶
- 有执行状态
- 不运行时，保存上下文
- 有一个执行栈
- 有局部变量的静态存储
- 可以取所在进程的资源，但是不拥有系统资源
- 同一个进程下面的进程还共享代码段和数据段
- 可以创建、撤销另一个进程
- 一个进程中的多个线程可以并发执行，系统开销小，切换快
- 线程带来的benifits
- 创建线程、线程之间切换的时间比较少
- 共享了内存和文件，线程之间的通信不需要经过内核
- 多核情况下的线程并行
4.2 多线程模型¶
- 用户级线程和内核级线程
- 用户级线程
- 不依赖于OS内核，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理的函数来控制用户线程
- 即用户线程的维护由应用进程来完成
- 内核不了解用户线程的存在
- 用户线程切换不需要内核特权
- 一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待
- 常见的线程库：POSIX pthreads库， win32 threads， Java threads
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内核级线程
- 依赖于OS内核，由内核的内部需求进行创建和撤销，用来执行一个指定的函数。一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程。时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间
- 内核维护进程和线程的上下文信息
- 线程的切换由内核完成
- 时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更过CPU时间
- 一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程
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线程模型
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多对一模型：内核一个线程，用户多个线程，好处是不需要OS的支持
- 可以使用调度策略来优化，但是在多处理器中不适用
- 一对一模型：每个用户线程对应一个内核线程
- 每个内核线程独自调度，由OS进行一系列线程操作
- 多对多模型：每个用户线程对应多个内核线程
4.3 Implicit Threading（隐私多线程）¶
- 隐私线程：将线程的创建和管理交给编译器和运行时库来完成
- 常见的方法有：Thread Pools 线程池
- 创建一系列线程等待工作
- 这里好像讲的比较随意，估计是不太重要
练习题¶
- process scheduler可以切换ready running和blocked三种状态
- 线程控制块 TCB 存储的内容包括machine states，包括寄存器和程序计数器，实际上就是存储了线程拥有的资源
- 抢占式多任务系统 preemptive multitasking system
- 一个进程在运行随时可能被另一个进程抢占
- running到ready是有效的切换