3.1 進(jìn)程的引入

3.1.1 程序的并發(fā)執(zhí)行及特點(diǎn)

為了提高計(jì)算機(jī)的利用率、處理速度和系統(tǒng)的處理能力，并行處理技術(shù)和并發(fā)程序設(shè)計(jì)技巧在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)的基本特征之一。所謂程序的并發(fā)執(zhí)行是指：若干個(gè)程序段同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行，這些程序段的執(zhí)行在時(shí)間上是重疊的，一個(gè)程序段的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一個(gè)程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始，及時(shí)這種重疊式很小的一部分。

3.1.2 并發(fā)執(zhí)行的特點(diǎn)

• 程序執(zhí)行的間斷性（異步性）
• 資源分配的動(dòng)態(tài)性
• 程序并發(fā)執(zhí)行的相互制約性
• 相互通信的可能性
• 同步與互斥的必要性：有合作關(guān)系的各程序不僅需要相互通信，而且還要隨時(shí)調(diào)整他們之間的相對(duì)速度，這就是同步的必要性，另外，系統(tǒng)中的許多資源必須是互斥使用的，否則會(huì)引起并發(fā)系統(tǒng)中所特有的不確定性錯(cuò)誤，這些就是互斥的必要性。

3.2 進(jìn)程的概念

3.1.1 進(jìn)程的定義

進(jìn)程是一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單元。

3.1.2 進(jìn)程的特點(diǎn)

• 動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，而程序是一個(gè)靜態(tài)的概念。程序是指令的有序集合，其本身沒有任何運(yùn)行的含義。而進(jìn)程是程序在處理機(jī)上的一次執(zhí)行過程，具有生命期，它動(dòng)態(tài)的被創(chuàng)建，并被調(diào)度執(zhí)行，執(zhí)行完成后銷往。
• 并發(fā)性。
• 獨(dú)立性。
• 制約性：主要表現(xiàn)在護(hù)持的使用資源和相關(guān)進(jìn)程之間必要的同步和通信。
• 結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)集合和描述其運(yùn)行過程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（PCB）組成。

3.1.3 進(jìn)程控制塊

在操作系統(tǒng)中，進(jìn)程包括三部分：程序，數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊（PCB）。PCB是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)存儲(chǔ)進(jìn)程以及與其相關(guān)的信息。在實(shí)際操作系統(tǒng)中，PCB的大小和個(gè)數(shù)是一定的，系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)PCB結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)只有通過PCB才能感知進(jìn)程的存在，因此操作系統(tǒng)中PCB的個(gè)數(shù)就是該系統(tǒng)可最大并行的進(jìn)程數(shù)。

3.1.4 進(jìn)程控制

所謂的進(jìn)程控制，是指存在于操作系統(tǒng)代碼中的一段用于對(duì)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度和控制的程序段，它主要通過控制PCB來(lái)調(diào)控進(jìn)程。

前面說過，操作系統(tǒng)是分層的結(jié)構(gòu)，總體上分成內(nèi)核和外殼兩部分，這樣，處理器在運(yùn)行的時(shí)候，為了避免內(nèi)核中信息被用戶程序篡改，因此處理器分成了兩個(gè)運(yùn)行狀態(tài)：核心態(tài)和用戶態(tài)。其中，核心態(tài)用來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)的內(nèi)核，用戶態(tài)用來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)的外殼和用戶程序

3.3 進(jìn)程的狀態(tài)

具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)化模型如上圖所示。一些狀態(tài)的說明：

創(chuàng)建。進(jìn)程的創(chuàng)建主要通過調(diào)用創(chuàng)建原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建原語(yǔ)的主要功能是建立進(jìn)程的PCB，將調(diào)用者提供的信息添加到PCB中。

終止。進(jìn)程的終止通過調(diào)用終止原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要的功能是將當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程所占用的資源歸還給父進(jìn)程，從PCB總鏈中將其刪除，將PCB結(jié)構(gòu)歸還給系統(tǒng)。

等待。進(jìn)程等待的事件沒有發(fā)生時(shí)，處于該狀態(tài)下。

進(jìn)程喚醒。當(dāng)處于等待隊(duì)列中的進(jìn)程所等待的時(shí)間發(fā)生時(shí)，則由“發(fā)現(xiàn)者”進(jìn)程調(diào)用喚醒原語(yǔ)，將等待該事件的進(jìn)程喚醒。喚醒主要有兩種方法：一種是由系統(tǒng)進(jìn)程喚醒，另一種是由時(shí)間發(fā)生進(jìn)程喚醒，處于等待狀態(tài)的進(jìn)程只能由其他進(jìn)程來(lái)喚醒，不可以自己?jiǎn)拘炎约骸?/span>

進(jìn)程掛起。在沒有進(jìn)程掛起的情況下，如果系統(tǒng)中存在很多的進(jìn)程，那么就需要將所有的進(jìn)程都放在內(nèi)存中，這樣可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存不足，使得程序運(yùn)行效率不高，因此引入了內(nèi)存掛起的概念。對(duì)于上面內(nèi)存不足的情況，有兩種方法解決，一種是增大內(nèi)存，顯然這不現(xiàn)實(shí)，另一種就是使用交換技術(shù)，在磁盤上設(shè)置一些虛擬內(nèi)存，用于存放一些未被執(zhí)行的進(jìn)程。

狀態(tài)轉(zhuǎn)換的說明：

3.4 線程的概念

進(jìn)程的引入可以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，線程的引入可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性。一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程，這些線程共享同一地址空間，他不擁有系統(tǒng)資源，且只需要很少在運(yùn)行時(shí)必不可少的硬件，因此線程在創(chuàng)建，撤銷，切換等環(huán)節(jié)所需要的時(shí)空開銷比進(jìn)程要少的多。

3.5 線程的狀態(tài)

線程的狀態(tài)與進(jìn)程的狀態(tài)差不多，只是沒有掛起狀態(tài)，由于對(duì)于同一個(gè)進(jìn)程其所有的線程共享同一個(gè)地址，因此

如果一個(gè)進(jìn)程被換出，它所有的線程也都被換出，可以理解為進(jìn)程的狀態(tài)和線程的狀態(tài)不是一個(gè)層面上的，且進(jìn)程的狀態(tài)往往決定了他所有的線程的狀態(tài)。

創(chuàng)建。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程的時(shí)候，系統(tǒng)同時(shí)也為該進(jìn)程創(chuàng)建了一個(gè)線程（主線程），該線程可以創(chuàng)建其他的新的線程。

就緒。

運(yùn)行。

阻塞。

終止。

3.6 線程與進(jìn)程的比較

• 調(diào)度分派。線程是可調(diào)度的工作單元，在有線程的進(jìn)程中，進(jìn)程不再成為調(diào)度的基本單位。
• 資源擁有。進(jìn)程擁有資源，線程不擁有資源，只是使用進(jìn)程的資源。
• 地址空間。不同進(jìn)程的地址空間是相互獨(dú)立的，同一進(jìn)程的各線程共享同一地址空間。
• 一個(gè)進(jìn)程可以擁有多個(gè)線程，反過來(lái)不行。
• 通信關(guān)系。進(jìn)程間的通信需要使用系統(tǒng)的通信機(jī)制，同一進(jìn)程中的各線程可以通過直接讀寫數(shù)據(jù)段（如全局變量）來(lái)進(jìn)行通信。

3.7 用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程

3.7.1 線程的類型

根據(jù)對(duì)線程控制方式的不同，線程可分為內(nèi)核級(jí)線程和用戶級(jí)線程。

• 內(nèi)核級(jí)線程。這類線程的控制（線程的創(chuàng)建等）依賴于內(nèi)核，內(nèi)核知道該線程。
• 用戶級(jí)線程。這類線程的控制不依賴于內(nèi)核，而是他所屬的進(jìn)程通過線程庫(kù)進(jìn)程的創(chuàng)建等控制，內(nèi)核不知道該線程。

線程的類型是由系統(tǒng)所確定好的，eg，windows xp系統(tǒng)使用的就是內(nèi)核級(jí)線程。

3.7.2 線程的調(diào)度和切換速度

線程的調(diào)度方法有搶占方式和非搶占方式，其調(diào)度算法有時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法、優(yōu)先權(quán)法等。

3.7.3 系統(tǒng)調(diào)用

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，根絕線程的類型不同，調(diào)用的方式也不同。

• 內(nèi)核級(jí)線程在調(diào)用的時(shí)候，由于內(nèi)核知道該線程的存在，因此該線程作為基本的調(diào)度單位，該線程被阻塞，但是該進(jìn)程中的其他線程仍然可以運(yùn)行。
• 用戶級(jí)線程在調(diào)用的時(shí)候，由于內(nèi)核不知道該線程的存在，因此在調(diào)度的時(shí)候，只能看成是進(jìn)程級(jí)的調(diào)用，因此整個(gè)進(jìn)程被阻塞，去執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机操作系统之三：进程与线程的描述与控制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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