操作系统学习笔记之进程与线程

进程

进程：进程是具有独立功能的程序在某个数据集合上的一次运行活动，也是操作系统进行资源分配和保护的基本单位。

如果你熟悉面向对象编程，并熟知类与对象的概念。不妨这样理解进程和程序两者之间的关系：进程是程序的实例对象，程序是进程的类描述。
或者你也可以这样理解进程与程序：程序是建筑图纸，进程是房子施工建筑的过程。程序为进程的执行提供了规划模板，而进程则是程序的一次动态执行过程。

进程的属性

1. 动态性：进程是程序在数据集合上动态执行的过程，基于不同的数据集合，程序可以同时创建多个进程。其次进程是具有生命周期的。而程序是静态的，是一种存储在磁盘中的资源文件。在日常工作中，很多时候都把程序和进程混为一谈，不加以区别，比如说：这个程序开始跑了——严格来说是进程在执行。不过一般情况下，也不需要对程序和进程这两个概念加以严格得区分。
2. 独立性：每个进程都是操作系统中的一个独立实体，有自己的虚存空间，程序计数器和内部状态。
3. 制约性：进程因共享资源或协同工作产生相互制约关系，造成进程执行速度的不可预测性。
4. 并发性：多个进程的执行在时间段上是可以重叠的。比如将厨师当成CPU，那么假设煲汤为线程A、煮饭为线程B和炒菜为线程C。在厨师做菜的过程中，煲汤、煮饭和炒菜这三个任务是可以同时去做的。线程也是一样，在某个CPU执行时间段内，CPU并不会等待一个线程执行完再去执行下一个线程，而是不断的调度执行多个线程。

进程的状态

三态模型

1. 运行态：进程占有CPU正在处理的状态。
2. 就绪态：进程具备运行条件，等待系统分配CPU以便运行的状态。
3. 等待态：进程需要等待某个事件完成，不具备运行的状态。

七态模型

1. 新建态：进程被创建时的状态，尚未进入就绪队列。
2. 就绪态：同三态模型。
3. 挂起就绪态：当系统内存等资源不足时，就会将就绪态的进程从内存中剥离，对换到磁盘交换区中的状态。
4. 挂起等待态：当系统内存等资源不足时，就会将等待态的进程从内存中剥离，对换到磁盘交换区中的状态。
5. 运行态：同三态模型。
6. 等待态：同三态模型。
7. 终止态：进程完成任务结束，或是出现错误而异常终止，或被操作系统终止。最终，系统会将终止态的进程销毁掉。

进程的组成

1. 进程控制块：即PCB，每个进程有且仅有一个PCB，并与之一一对应的，用来存储进程的标志信息、现场信息和控制信息。
2. 进程程序块：被进程执行的程序，规定进程一次运行所应完成的功能。
3. 进程核心栈：每个进程捆绑一个，并与之一一对应。进程在内核状态工作时使用，用来保存中断/异常现场，保存函数调用的参数、局部变量和返回地址。
4. 进程数据块：时进程的私有地址空间，存放各种私有数据，用户栈也在数据块中开辟，用于在函数调用时存放栈帧、局部变量和返回地址等参数。

线程

线程是进程中能够并发执行的实体，是进程的组成部分，也是处理器调度和分派的基本单位。

如果进程是做菜这样简单的任务，可能还不需要引入线程。当进程是盖房子这样的任务时，就需要引入线程来提高系统资源的利用率和效率了。当建筑公司要修建多做房子时（一个CPU要执行多个进程），多个房子可以按照建筑的不同时期，建筑公司可以同时进行建筑。但由于线程的限制，建筑公司只能是，要么把所有的建筑资源建筑这套房子，要么把所有的建筑资源建筑那套房子。这样，在进程任务复杂之后，建筑公司调整安排建筑任务的资源浪费是十分巨大的（CPU在进行进程任务调度时的资源浪费）。所以为了减少这样的浪费，将进程的程序任务再进行分割小的，可并发的线程程序任务。这样，建筑公司就能够尽量完成某个建筑任务，再去完成其它的（减少CPU在进程之间的调度，转为对进程里多线程的调度）。

多线程结构进程.png

线程的优点

1. 快速线程切换：同一进程中的多线程切换只需改变堆栈和寄存器，地址空间不变。
2. 通讯易于实现：自动共享进程的内存和文件，线程可以自由访问全局数据，实现数据共享十分方便，线程通信相对简单不必经过内核。
3. 减少管理开销：线程插件和撤销工作比进程少很多，并且无须再分配存储空间和各种资源。
4. 并发程度提高：多线程适宜并发工作，能充分发挥处理器与设备的并行工作能力，是多核和多处理器系统的效能发挥更好。

线程的状态

在同一进程中的不同线程会竞争CPU和数据资源，而出现各种等待事件，继而存在各种状态。同线程一样，有运行、就绪、等待和终止状态。对于线程来说，它并不是资源拥有单位，其资源来自进程的共享。故而挂起状态对线程来说是没有意义的。

参考文献

[1] 费翔林，骆斌.操作系统教程[M].高等教育出版社，2014：71-85.