1.进程概念

1.1 进程

进程包含了程序代码和当前活动（其中当前活动通过程序计数器和处理器寄存器的内容表示）两个部分，进程是执行中的程序。具体有：

• 文本段（代码段）
• 数据段（全局变量）
• 栈（stack）（包含临时数据、函数参数、返回地址、局部变量）
• 堆（heap）（进程运行期间动态分配的内存）
• 程序计数器

注意：程序是被动实体，进程是活动实体（其中当前活动通过程序计数器和处理器寄存器的内容表示）
两个进程可以与同一程序联系，虽然文本段相同。但是数据段、堆栈段不同

进程是一个程序的一次执行过程。 进程是资源分配、保护和调度的基本单位

1.2 进程状态

进程有5种状态，包括：

• New（新的）
• Running（运行）
• Waiting（等待）
• Ready（就绪）

• Terminated（终止）

  2. 进程调度

  2.1 进程切换

• 并发进程中，一个进程再执行过程中可能会被另一个进程替换占有CPU，这个过程称作“进程切换”

1. 是什么触发了进程切换？
2. 进程切换时需要做什么？

2.1.1 中断技术

• 中断是指程序执行过程中
  • 当发生某个事件时，中止CPU上现行程序的运行
  • 引出该事件的处理程序执行
  • 执行完毕返回原程序中断点继续执行

2.1.2 中断源

• 外中断：来自处理器之外的硬件中断信号
  • 如始终中断、键盘中断、外围设备中断
  • 外部中断均是异步中断（随机中断）
• 内中断（异常）：来自于处理器内部，指令执行过程中发生的中断，属同步中断
  • 硬件异常：掉电、奇偶检验错误等
  • 程序异常：非法操作、地址越界、断点、除数为0
  • 系统调用

    2.2.3 中断的处理过程

    

    • 特权指令：只能运行在内核模式下的指令
      • I/O操作
      • 关闭中断
      • 设置定时器
      • 进程切换
    • 非特权指令：运行在用户模式下的指令

2.2.4模式切换

• 中断是用户态向核心态转换的唯一途径，系统调用实质上也是一种中断
• OS提供Load PSW指令装载用户进程返回用户状态

2.2.5 进程切换

• 切换时机：
  • 进程需要进入等待状态（主动切换：启动IO设备）
  • 进程被抢占CPU而进入就绪状态（高优先级进程抢占CPU；CPU时间到期）
• 切换过程
  • 保存被中断进程的上下文信息
  • 修改被中断进程的控制信息（如状态等）
  • 将被中断的进程加入相应的状态队列
  • 调度一个新的进程并恢复它的上下文信息

进程切换和进程的中断有什么关系？ 进程的切换发生在核心态，只有中断技术才能用户态进去到核心态

2.2 进程调度

2.2.1 进程控制块

每一个进程都需要分配一定的信息，这些信息的仓库就叫做PCB，PCB有以下功能：

• 系统利用PCB 控制 和 管理 进程
• PCB是进程存在的唯一标志

操作系统通过PCB感知进程的存在
PCB包含以下信息：

• 进程状态（如上所述）
• 程序计数器：表示进程要执行的下个指令的地址
• CPU寄存器：与程序计数器一起，在出现中断时状态信息需要保存，使进程能够正确执行
• CPU调度信息：包括优先级、调度队列的指针等
• 内存管理信息：（详见第八章）
• 记账信息：包括CPU时间、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业和进程数量等
• IO状态信息：分配给进程的IO设备列表，打开的文件列表等

  程序计数器与CPU寄存器的区别与联系： 电脑执行程序的过程就是cpu不断执行指令的过程。cpu执行指令的过程，第一步就是取指令，并将其放入指令寄存器，然后对指令译码，进行一些操作，最后计算下条指令的地址，并送入程序计数器。总之，一个用来存当前指令，一个用来存下条指令的地址。cpu根据程序计数器里的地址取指令，将取到的指令送指令寄存器。

3.2.2 进程调度

目的：使CPU的利用率最大化，需要优化进程调度的方法
进程调度程序选择一个进程到CPU上执行（一个CPU一个时间段只能执行一个程序，其余程序需要等待CPU空闲重新调度）

3.2.3 调度队列

作业（job）队列：包含了系统中所有的进程
就绪（Ready）队列：包含了系统中驻留在内存结构中就绪的，准备运行的进程
该队列通常用链表实现，头结点指向第一个和最后一个PCB块的指针，每个PCB块包括指向下一个PCB的指针域
设备（Device）队列：包含了等待特定IO设备的进程列表
进程可能会有IO请求，请求时可能IO设备在处理其他请求，所以该进程需要等待。
讨论进程调度的常用方法时队列图

其中包括了就绪队列和设备队列（可能有多个设备队列）

1. 是什么触发了进程切换？

是因为发生了中断

３.　线程

　线程就是进程的执行流

3.1 线程的定义

线程是CPU使用的基本单元，由线程ID，程序计数器，寄存器集合和栈组成。它与属于同一进程的其他线程共享代码段，数据段和其他操作系统资源。

多线程的优点

1. 响应度高：一个多线程的程序即使部分阻塞，其他部分仍能运行，从而增加了对用户的响应程度。
2. 资源共享
3. 经济：创建和切换线程比创建进程更节省资源和时间
4. 多处理器体系结构的利用：多线程能充分利用多处理器体系

   3.2 多线程的模型

   提供多线程支持有两种方式：用户线程和内核线程

• 用户线程受内核支持，无需内核管理
• 内核线程由操作系统支持和管理

在用户线程和内核线程之间存在一定的关系，即多线程模型，以下讨论三种常用的关系：多对一，一对一，多对多。

1. 多对一模型

多个用户线程映射到一个内核线程

• 优点：线程管理由线程库在用户空间完成，效率比较高
• 缺点：如果一个线程阻塞，整个进程就会阻塞；且多个线程无法并行运行在多处理器上

2. 一对一

每个用户线程映射到一个内核线程上

• 优点：比多对一模型更好的并发功能；一个线程阻塞时，其他线程能够继续调用；多个线程能够并发运行在多处理器
• 缺点：创建内核线程的开销会影响应用程序的功能

3. 多对多

• 多对一模型可以创建任意多的用户线程，但是只能没有增加并发性
• 一对一模型增强了并发性，但开发者要小心不能在应用程序中创建太多的进程

多对多模型没有上述的所有缺点，它多路复用了许多用户线程到同样数量或更小数量的内核线程上

3.3 线程库

在用户空间中提供一个没有内核支持的库 执行一个由操作系统直接支持的内核级的库

3.4 多线程问题

3.4.1 系统调用fork()和exec()

• 在多线程程序中，系统调用fork()和exec()的语义有所改变。
• 如果程序中一个进程调用fork()，那么新进程会复制所有线程，还是新进程只有单个线程？有的UNIX系统有两种形式的fork()，一种复制所有线程，另一种只复制调用了系统调用fork()的线程。
• Exec()工作方式：如果一个线程调用系统调用exec()，那么exec()参数所指定的程序会替换整个进程，包括所有线程。
• 如果调用fork()之后立即调用exec()，那么没有必要复制所有线程，因为exec()参数所指定的程序会替换整个进程。在这种情况下，只复制调用线程比较适当。不过，如果在fork()之后另一进程并不调用exec(),那么另一进程就应复制所有进程。

  3.4.2 取消

  线程取消（thread cancellation）是在线程完成之前来终止线程的任务。

要取消的线程通常称为目标线程。目标线程的取消可在如下两种情况下发生：

一是异步取消（asynchronous cancellation）：一个线程立即终止目标线程。

二是延迟取消（deferred cancellation）：目标线程不断地检查它是否应终止，这允许目标线程有机会以有序方式来终止自己。

如果资源已经分配給要取消的线程，或者要取消的线程正在更新与其他线程所共享的数据，那么取消会有困难，对于异步取消尤为麻烦。操作系统回收取消线程的系统资源，但是通常不回收所有资源。因此，异步取消线程并不会使所需的资源空闲。相反采用延迟取消时，允许一个线程检查它是否是在安系统资源空闲全的点被取消，pthread称这些点为取消点（cancellation point）。

3.4.3 信号处理

信号处理：信号在Unix中用来通知进程某个特定时间已发生了，信号可以同步或异步接收。所有有信号具有同样的模式：

（1）信号有特定事件的发生所产生

（2）产生的信号要发送到进程

（3）一旦发送，信号必须交易处理。

同步信号的例子包括访问非法内存或被0除。在这种情况下，如果运行程序执行这些动作，那么就产生信号，同步信号发送到执行操作而产生信号的同一进程（同步的原因）。

当一个信号由运行进程之外的事件产生，那么进程就异步接收这一信号。这种信号的例子包括使用特殊键（Ctrl + C）或者定时器到期。通常，异步信号被发送到另一个进程。

每个信号可能由两种可能的处理程序中的一种来处理：

（1）默认信号处理程序

（2）用户定义的信号处理程序

每个信号都有一个默认信号处理程序，当处理信号是在内核中运行的，这种默认动作可以用用户定义的信号处理程序来改写。信号可以按照不同的方式处理。有的信号可以简单的忽略（如改变窗口大小），有的需要终止程序来处理（非法内存访问）

单线程程序的信号处理比较直接，信号总是发送给进程。

当多线程时，信号会

（1）发送信号到信号所应用的线程

（2）发送信号到进程内的每个线程

（3）发送信号到进程内的某些固定线程

（4）规定一个特定线程以接收进程的所有信号。

发送信号的方法依赖于信号的类型。

3.4.4 线程池

多线程服务器有一些潜在问题：第一个是关于处理请求之前用以创建线程的时间，以及线程在完成工作之后就要被丢弃这一事实。第二个，如果允许所有并发请求都通过新线程来处理，那么将没法限制在系统中并发执行的线程的数量。无限制的线程会耗尽系统资源。解决这一问题是使用线程池。

线程池的思想是在进程开始时创建一定数量的线程，并放入到池中以等待工作。当服务器收到请求时，他会唤醒池中的一个线程，并将要处理的请求传递给他，一旦线程完成了服务，它会返回到池中在等待工作。如果池中没有可用的线程，那么服务器会一直等待直到有空线程为止。

线程池的优点：

（1）通常用现有线程处理请求要比等待创建新的线程要快

（2）线程池限制了在任何时候可用线程的数量。

线程池中的线程数量由系统CPU的数量、物理内存的大小和并发客户请求的期望值等因素决定。比较高级的线程池能动态的调整线程的数量，以适应具体情况。

3.4.5 线程特定数据

同属一个进程的线程共享进程数据。
在某些情况下每个线程可能需要一定数据的自己的副本，这种数据称为线程特定数据。可以让每个线程与其唯一的标识符相关联。