本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

注:本文为个人操作系统的学习笔记，如有错误，还请各位大神指出，谢谢！

进程的含义？如何理解进程？

• 进程是操作系统中最核心的概念，是对正在运行中的程序的一种抽象，本质上指的是正在运行中的程序，它拥有独立的地址空间，上面几乎存放着所有与运行这个程序有关的信息，如可执行程序，程序的数据以及程序的堆栈。

• 进程表：与一个进程相关的所有信息，除该进程自身地址空间的内容外均放在了操作系统的一张表——进程表中。其物理结构为数组或链表，每个进程都要单独占据一项。

• 别的角度：用某种方法把相关资源集中在一起。（因为进程有相应的独立地址空间）

关于进程模型

基于两大独立概念

资源分组处理和执行

多道程序设计：

真正的cpu在不同进程间高速来回切换，看上去就像每个进程都拥有自己虚拟的cpu。

• 注意：在对进程编程时绝不应对时序有任何想当然的假设。
• 如果一个程序运行了两遍，则算作两个进程。

cpu利用率=1-p^n

p表示一个进程等待I/O操作的时间与其停留在内存中时间之比

n为进程个数，也为多道程序设计的道数。

更好的模型是从 概率论（因为现实中n个进程可能同时等待IO） 和 排队论（因为单CPU中进程不是独立的） 出发构建。

进程的创建

时机（按权限大小排序）

• 系统初始化
• 批处理作业的初始化（见于批处理系统）
• 正在运行的程序执行了创建进程的系统调用。
• 用户请求创建一个新进程。

（类）UNIX系统与Windows系统的进程创建方式对比

• UNIX系统中，fork用于创建新进程。
• Windows系统中，（书中指win32）CreateProcess有两大作用;
  • 创建进程
  • 将正确的程序装入新的进程

图为我个人对两者创建区别的理解（结合书中其他表述）

进程的终止

• 自愿
  • 正常退出
  • 出错退出
• 非自愿
  • 严重错误
  • 被其他进程杀死

UNIX和windows的进程层次结构对比

• UNIX下，所有进程都属于以init为根的一棵树。进程及其所有子进程及其后裔共同组成一个进程组。
• windows中没有层次的概念，所有的进程地位都相同。

线程的含义？为什么需要线程？

本质上是将一个进程再细分。（因为不同进程拥有不同的地址空间和资源，一个进程的崩溃不会影响到另一个进程；而同一进程中的线程共享该进程的资源，且一个线程的崩溃会导致整个进程崩溃。这说明线程本身是进程中不可分割的一部分）

• 正如上面所提，进程模型无法满足"使并行实体拥有共享同一个地址空间和所有可用数据"的要求，而现实中这种需求是真实而迫切的。
• 线程比进程更轻量级，更容易（更快）创建和撤销。
• 在多cpu系统中，多线程使得使得真正意义上的并行实现有了可能。（这里其实需要线程共享内存这一特性）

关于进程与线程

可以这么理解：进程用于把资源集中到一起，而线程则是cpu上被调度执行的实体。

关于线程的运作过程

线程的创建

进程从当前某个线程开始，该线程可通过调用一个库函数创建新的线程。

线程的优先级

有时线程间会存在父子关系，但大多数情况下，所有的线程都是平等的。

线程的退出

• 可通过调用库函数退出，之后该线程不再可调度。
• 调用thread_yield,允许线程自动放弃CPU从而让另一个线程运行。 （原因：线程库无法像对进程一样利用时钟中断强制线程让出CPU）

关于线程模型

• 单个进程中的多个线程共享进程中的资源： 地址空间、全局变量、打开文件集、子进程、即将发生的定时器、信号与信号处理程序、账户信息（即进程的属性）

• 每个线程自己的内容： 程序计数器、寄存器、堆栈、状态（即线程的属性）

  为什么每个线程需要有自己的堆栈？ 因为通常每个线程会调用不同的过程，有各自不同的执行历史，所以需要堆栈来保存中间状态

• 有两种模型：如图所示：

分别是一个进程中有一个线程，然后多进程；一个进程中有多个线程。 若线程之间关系不大，应用前者；若线程间合作密切，应用后者。

实现线程

用户态

实现方式

把整个线程包放在用户态中，内核对线程包一无所知。

• 可以用函数库实现线程。
• 用户空间管理进程时，每个进程需要有其专用的线程表，该表由运行时系统管理，记录各个线程的属性，并在其状态切换完成时更新启动该线程所需的信息（类比内核中的进程表存放进程信息）

优点

• 用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现。
• 借助线程表，线程切换可以在几条指令内完成，至少比陷入内核快一个数量级。
• 无需陷入内核、进行上下文切换、对内存高速缓存进行刷新。
• 允许每个进程有专属的调度算法。

缺点

• 阻塞系统调用难实现

  • 解决方案1：将系统调用全改为非阻塞的
    • 缺点：需要修改操作系统，与可在现有操作系统直接运行的初衷背离
  • 解决方案2：提前预警，并避免使用可能会引发阻塞的调用 在系统调用周围从事检查的代码称为包装器（jacket或wrapper）

• 缺页中断问题（原理也和阻塞调用有关）

  • 什么是缺页中断？ 简单理解就是，并非所有程序都一次性放在内存中。当程序调用或跳转到某个内存中没有存储的指令时，会发生页面故障（缺页），操作系统需要从磁盘上取回这个指令及其相关指令；在对目标指令进行定位的过程中，相关进程会被阻塞（中断当前执行程序转而去执行定位读入操作）
  • 为什么用户级线程的缺页中断需引起重视？ 因为页面故障很可能只由一个线程引起，其他线程可以正常运行。但由于内核不知道线程的存在，会将整个进程阻塞，这极大降低效率。

• 线程的永久运行问题 线程无法像进程一样通过时钟中断实现轮换，当线程包中的一个线程开始运行时，其他线程就无法执行，这种情况有可能一直持续。(虽然线程退出机制里有thread_yield，但其是基于自愿原则)

  • 可能的解决方案及其争议：让运行时系统定期请求时钟信号（中断）（可能会扰乱时钟）

• 必要性问题

  • 用户级线程一般是为应用程序服务。多线程的目标场景是经常发生线程阻塞的应用。如果本身是CPU密集型或者少有阻塞，并不需要用到多线程。
  • 但是用户级多线程由于是在用户态，一旦发生内核陷入，原有的线程被阻塞，要借助内核的力量的话，时间开销本身也很大。 （简单理解就是：用户级线程比较 表面 ，没出事的时候作用不大，出了事光指望它是不行的，效率还低，但是使用多线程的初衷是希望出了事能快快解决）

内核态

缺点：系统调用代价比较大。

• 内核有用来记录系统中所有线程的 线程表。进行线程的创建或撤销时，通过一个系统调用，对线程表更新来完成。
• 在内核中创建或撤销线程的开销大，所以会有回收线程的概念。即将撤销的线程标记为 不可运行的，但不改变其内部数据结构，下次可以通过改变标志位使其重新运行。
• 内核线程不需要任何新的、非阻塞的系统调用。缺页中断问题在内核级别可得到方便解决。

内核线程无法解决所有问题

例如一个多线程进程创建新进程，新进程是该拥有单一线程，还是该复制原进程的所有线程？答案是视情况而定，调用exec是前者，继续执行当前程序是后者。

混合实现

多路复用

参考书籍

《现代操作系统》 Andrew S.Tanenbaum,Herbert Bos著，陈向群，马洪兵等译