进程和线程模型

进程和线程模型

2024-07-09
Course
2025-02-25

进程模型 #

多道程序设计 #

MultiProgramming：多个程序同时进入内存并运行，提高操作系统效率。并发环境。

多个虚拟（逻辑）程序计数器 ---> 物理计数器

进程的概念以及进程控制块 #

进程 #

Process：进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位。

  • 是程序的一次执行过程
  • 是正在运行的程序的抽象
  • 将一个CPU变幻成多个虚拟的CPU （是CPU的抽象）
  • 系统资源以进程为单位分配，如内存、文件、独立的地址空间......

进程控制块(PCB) #

PCB: Process Control Block

  • 又称进程描述符、进程属性
  • 操作系统用于管理控制进程的一一个专门数据结构

    不同操作系统，对PCB的实现可能不同，但是其功能相同。

    Linux中叫task_sturct

    Windows中叫EPROCESS，KPROCESS，PEB

  • 记录进程的各种属性，描述进程的动态变化过程

PCB是系统感知进程存在的唯一标志 >进程与PCB是一一 对应

进程表: 所有进程的PCB集合。在内存的固定区域，大小固定，所以存储的PCB信息也是有限的，这就是操作系统的并发度。

PCB存储了哪些信息？

1） 进程描述信息

  • 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数
  • 进程名，通常基于可执行文件名，不唯一
  • 用户标识符(user ID)
  • 进程组关系

2）进程控制信息

  • 当前状态
  • 优先级(priority)
  • 代码执行入口地址
  • 程序的磁盘地址
  • 运行统计信息(执行时间、页面调度)进程间同步和通信
  • 进程的队列指针
  • 进程的消息队列指针

3）所拥有的资源和使用情况

  • 虚拟地址空间的状况
  • 打开文件列表

4）CPU现场信息

  • 寄存器值（通用寄存器、程序计数器PC、程序状态字PSW、栈指针）
  • 指向该进程页表的指针

还可以从下面三个维度来看看PCB存储的信息

  • 进程管理
  • 存储管理
  • 文件管理

进程的状态及转换、进程队列 #

进程的三种基本状态 #

  • 运行态（Running）：占有CPU，并在CPU上运行
  • 就绪态（Ready）：已经具备运行的条件，但没有空闲CPU，故暂时不能运行
  • 等待态（Waiting/Blocked）：因等待某一事件而暂时不能运行（如等待磁盘结果）。也叫做阻塞态、封锁态或睡眠态

进程的状态转换 #

进程3状态转换示意图

其他线程状态 #

1）创建（New）：

已完成创建一进程所必要的工作
    - PID、PCB
但尚未同意执行该进程
    -因为资源有限

2）结束（Terminated）：

终止执行后，进程进入该状态

可完成一些数据统计工作

资源回收

3）挂起（Suspend）： 用于调节负载

进程不占用内存空间，其进程映像交换到磁盘上

进程5状态转换示意图

进程队列 #

PCB组成的队列，不同状态的进程，分别进入不同的队列。进程状态变化时，进程程PCB也会从A队列出队而进入B队列。

进程控制 #

进程控制操作完成进程各状态之间的转换，由具有特定功能的原语完成。

原语 (primitive)

完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性或不可中断性

即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断[原子操作 (atomic)]

  • 进程创建原语
  • 进程撤消原语
  • 阻塞原语
  • 唤醒原语
  • 挂起原语
  • 激活原语
  • 改变进程优先级
  • .....

创建进程 #

1）给新进程分配一个唯一标识以及进程控制块

2）为进程分配地址空间

3）初始化进程控制块 - 设置默认值(如:状态为New, ...)

4）设置相应的队列指针 - 如:把新进程加到就绪队列链表中

不同操作系统创建进程的方法：

UNIX: fork/exec

Windows: CreateProcess

结束（撤消）进程 #

1）收回进程所占有的资源 - 关闭打开的文件、断开网络连接、回收分配的内存...

2）撤消该进程的PCB

不同操作系统创建进程的方法：

UNIX: exit

Windows: TerminateProcess

线程的阻塞 #

处于运行状态的进程，在其运行过程中期待某一事件发生，如等待键盘输入、等待磁盘数据传输完成、等待其它进程发送消息当被等待的事件未发生时，由进程自己执行阻塞原语，使自己由运行态变为阻塞态。

不同操作系统创建进程的方法：

UNIX: wait

Windows: WaitForSingleObject

Unix的几个进程控制操作 #

它们都是系统调用

1）fork()：通过复制调用进程来建立新的进程，是最基本的进程建立过程。

2）exec()：包括一系列系统调用，它们都是通过用一段新的程序代码覆盖原来的地址空间，实现进程执行代码的转换。

3）wait()：提供初级进程同步操作，能使一个进程等待另外一个进程的结束。

4）exit()：用来终止一个进程的运行。

Unix和Linux系统的fork()方法虽然都创建进程，但实现逻辑略有不同。

Unix在创建进程时，子进程会直接分配一个独立的内存空间，并复制父进程全部文件描述符。

Linux则不同，子进程共享父进程的物理内存页，只有在子进程尝试修改页内容时，才会复制父进程的页内容。这个技术叫COW（copy on write）。

得益于Linux的COW技术，fork()的效率比Unix上更好。

References about fork() and Copy-On-Write:

Docs:

  1. Unix fork() documentation
  2. Linux fork() man page
  3. Copy-on-write, wikipeida

Discussions:

  1. Does fork() immediately copy the entire process heap in Linux?
  2. How does copy-on-write give one optimization for fork-exec?
  3. What is copy-on-write?

下面的代码展示了创建子进程并等待子进程执行完成的过程：

 1# include <stdio.h>
 2# include <stdlib.h>
 3# include <unistd.h>
 4# include <sys/types.h>
 5int main(){
 6    // 父进程中返回子进程的id
 7    // 子进程中返回0
 8    int pid = fork();
 9
10    if (pid == 0)
11    {
12        printf("child's PID is %d. \n", getpid());
13    } else if (pid > 0) {
14        // 父进程等待子进程执行完成，再继续执行
15        wait(NULL);
16        printf("parent's PID is %d. \n", getpid());
17        printf("child's PID is %d. \n", pid);
18    } else {
19        perror("fork() failed");
20        exit(1);
21    }
22    exit(0); 
23}
24/* output:
25child's PID is 70291. 
26parent's PID is 70290. 
27child's PID is 70291. 
28*/

进程的讨论 #

分类 #

按用户分： 1） 系统进程 2）用户进程

按运行方式分： 1）前台进程 2）后台进程

按资源需求分： 1） CPU密集型进程 2）I/O密集型进程

和程序的区别：

  • 进程更能准确刻画并发，而程序不能。

  • 程序是静态的，进程是动态的。

  • 进程有生命周期的，有诞生有消亡短暂的;而程序是相对长久的。

  • 一个程序可对应多个进程。

  • 进程具有创建其他进程的功能。

层次结构 #

不同操作系统，进程的层次有所差异。

⚠️generated by gpt.

Linux操作系统中的进程层次结构：

  • 父子关系：在Linux中，每个进程（除了根进程init，进程ID=1）都有一个父进程，创建子进程的进程被称为父进程，而新创建的进程被称为子进程。父进程负责创建、管理和控制子进程，形成了一个层次结构，类似于树状结构。
  • 子进程：除了根进程外，每个进程都可以创建一个或多个子进程。当一个进程创建一个子进程时，子进程会继承父进程的某些属性和资源，如内存空间、文件描述符和环境变量。
  • 进程组：在Linux中，可以将属于同一进程层次结构的进程组织成进程组。进程组是一组相关的进程，可以进行集体管理和控制。进程组允许在多个进程之间进行信号传递和进程控制等操作。
  • 进程树：进程层次结构形成了一种树状结构，通常称为进程树。根进程位于树的顶部，子进程从其父进程分支出来。进程树表示了系统中进程之间的关系和依赖。

Windows操作系统中的进程层次结构：

  • 父子关系：在Windows中，每个进程（除了系统进程）都有一个父进程，创建子进程的进程被称为父进程，而新创建的进程被称为子进程。父进程负责创建、管理和控制子进程。
  • 子进程继续运行：在Windows中，如果父进程终止，子进程可以继续运行。子进程不会因为父进程的终止而被终止，它可以继续独立运行。
  • 僵尸进程：在Linux中，如果父进程终止，所有与之关联的子进程都会被强制退出。而在Windows中，子进程可以继续运行，即使父进程已经终止。这可能导致僵尸进程的存在，即已经终止但在进程表中仍有条目的进程。

需要注意的是，进程层次结构在Linux和Windows中可能会有一些特定的实现差异，但基本的父子关系和层次结构概念是相似的。

References:

  1. What is the process hierarchy in an operating system? - CompuHoy.com
  2. Process Hierarchy in Operating System | by Rahul Ahir | Medium
  3. What is a process hierarchy? - Tutorialspoint
  4. What are the process states in Windows and Linux? - Tutorialspoint

进程地址空间 #

操作系统给每个进程都分配了一个地址空间。

进程地址空间

下面的代码示例展示了进程运行时的地址：

 1#include <stdio.h>
 2#include <stdlib.h>
 3
 4int myval;
 5int main(int argc, char *argv[])
 6{
 7    myval = atoi(argv[1]);
 8    while(1){
 9        printf("myval is %d, loc 0x%lx\n", myval, (long)&myval);
10    }
11}

在不同的终端上运行上述代码，可以看到如下可能的输出：

1~ ./myval 7
2myval is 7, loc 0x10d222018
3...
4~ ./myval 8
5myval is 8, loc 0x102f4a018
6...

可以看到，2个程序的变量所指向的地址是不用的。不过，这个地址并不是物理地址，而是虚拟地址或者叫逻辑地址。

进程映像（IMAGE） #

指对进程执行活动全过程的静态描述（进程快照）。

由进程地址空间内容、硬件寄存器内容及与该进程相关的内核数据结构、内核栈组成。

用户相关:

进程地址空间(包括代码段、数据段、堆和栈、共享库.....)。

寄存器相关:

程序计数器、指令寄存器、程序状态寄存器、栈指针、通用寄存器等的值。

内核相关:

1）静态部分: PCB及各种资源数据结构
2）动态部分: 内核栈(不同进程在进入内核后使用不同的内核栈)

上下文切换（CONTEXT） #

将CPU硬件状态从一个进程换到另一个进程的过程称为上下文切换。

进程运行时，其硬件状态保存在CPU上的寄存器中。

寄存器: 程序计数器、程序状态寄存器、栈指针、通用寄存器、其他控制寄存器的值。

进程不运行时，这些寄存器的值保存在进程控制块PCB中;当操作系统要运行一个新的进程时，将PCB中的相关值送到对应的寄存器中

线程模型 #

为什么引入线程 #

线程的组成 #

线程机制的实现 #

用户级线程 #

核心级线程 #

混合方式 #

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