进程与线程

  • 进程与线程
  • 进程
  • 进程内容
  • 进程切换
  • 进程状态
  • 进程创建过程
  • 进程终止过程
  • 进程的调度算法：
  • 线程


进程与线程

进程

计算机的一次运行活动，是资源分配和调度的基本单位，也是基本的执行单元。进程是线程的容器，进程是程序的实体。每一个进程都有自己的独立空间，包括文本区域，数据区域和堆栈。

  1. 文本区域：存储处理器执行的代码
  2. 数据区域：存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存
  3. 堆栈区域：存储活动过程调用的指令和本地变量

进程特征：
动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的。
并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行
独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位；
异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进
结构特征：进程由程序、数据和进程控制块三部分组成。

进程内容

  1. 可运行机器码在 存储器 的映射，通常包括在 虚拟内存 的一个区域
  2. 存储器内容：
    可运行代码
    特定于进程的数据
    调用堆栈
    分配给该进程的资源的操作系统描述符，诸如文件描述符。
    处理器状态，诸如寄存器内容，物理存储器寻址
    当进程正在运行时，状态通常存储在寄存器（在CPU内部，速度快），其他情况在存储器（内存储器）
    主机：CPU 内存储器
    CPU：控制器，运算器，寄存器

寄存器：在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器(IR)和程序计数器(PC)。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器(ACC)。

内存储器： 只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），以及最强悍的高速缓冲存储器（CACHE），只读存储器应用广泛，它通常是一块在硬件上集成的可读芯片，作用是识别与控制硬件，它的特点是只可读取，不能写入。随机存储器的特点是可读可写，断电后一切数据都消失，我们所说的内存条就是指它了。

缓存CACHE：数据交换的缓冲区，当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。因为缓存往往使用的是RAM（断电即掉的非永久储存），所以在用完后还是会把文件送到硬盘等存储器里永久存储。电脑里最大的缓存就是内存条了，最快的是CPU上的L1和L2缓存，显卡的显存是给显卡运算芯片用的缓存，硬盘上也有16M或者32M的缓存。CACHE是在CPU中速度非常块，而容量却很小的一种存储器，它是计算机存储器中最强悍的存储器。由于技术限制，容量很难提升。

进程切换

进程切换就是从正在运行的进程收回处理器，然后使待运行进程来占用处理器

实质上是把进程存在处理机上的寄存器中的中间数据（进程的上下文）存在该进程的私有堆栈中，把寄存器腾出来

进程的切换就是进程上下文的切换，在进程没有占用处理器时，进程的中间数据被存放在进程的私有堆栈中

一个进程的上下文可以分为三个部分:用户级上下文、寄存器上下文以及系统级上下文。
用户级上下文: 正文、数据、用户堆栈以及共享存储区；
寄存器上下文: 通用寄存器、程序寄存器(IP)、处理器状态寄存器(EFLAGS)、栈指针(ESP)；
系统级上下文: 进程控制块task_struct、内存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、pgd、pte)、内核栈。

当发生进程调度时，进行进程切换就是上下文切换(context switch).操作系统必须对上面提到的全部信息进行切换，新调度的进程才能运行。而系统调用进行的模式切换(mode switch)。模式切换与进程切换比较起来，容易很多，而且节省时间，因为模式切换最主要的任务只是切换进程寄存器上下文的切换。
  1. 进程运行：把进程参数从用户空间调入内核，内核保存寄存器信息和变量，生成进程上下文
  2. 进程切换：当要中断时，则硬件将中断处理程序，参数，变量传入内核，生成中断上下文，内核将进程上下文信息（三个部分）从寄存器移到进程的私有堆栈，腾出寄存器
  3. 进程占用处理器：就把私有堆栈中的数据再存在寄存器中，把待运行进程的断点送入处理器的程序指针PC，于是待运行程序就可以运行

进程状态

就绪 ：当一个进程由于时间片用完而进入就绪状态时，排入低优先级队列；当进程由I/O操作完成而进入就绪状态时，排入高优先级队列。
运行：占用处理器资源
阻塞：等待状态，由于I/O或者进程同步，进程通过调用阻塞原语block()，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。把进程控制块中的现行状态由执行改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。

进程创建过程

调用进程创建原语create()：

  1. 申请空白PCB，并生成唯一的数字标识符
  2. 分配存储空间
  3. 初始化PCB：
    初始化标识信息
    初始化处理机状态信息，使程序计数器指向程序的入口地址，使栈指针指向栈顶
    初始化处理机控制信息，将进程的状态设置为就绪状态，通常是最低优先级
  4. 将新进程插入就绪队列

进程终止过程

调用终止原语

  1. 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，读出进程状态
  2. 若进程在执行，则立即终止，置调度标志为真。若还有子进程，则终止子进程
  3. 终止全部资源
  4. 将PCB从队列移除

进程的调度算法：

实时系统中：FIFO(First Input First Output，先进先出算法)，SJF(Shortest Job First，最短作业优先算法)，SRTF(Shortest Remaining Time First，最短剩余时间优先算法）。
交互式系统中：RR(Round Robin，时间片轮转算法)，HPF(Highest Priority First，最高优先级算法)，多级队列，最短进程优先，保证调度，彩票调度，公平分享调度。

线程

独立运行和独立调度的基本单位