了解进程和线程的基本原理 了解进程和线程的基本原理

1）五状态模型：包括新建态、就绪态、运行态、阻塞态和退出态。

• 空—>新建态：创建一个新的进程。
• 新建态—>就绪态：进程被放入内存中后，就可以变成就绪态。
• 就绪态—>运行态：进程被cpu调度执行。
• 运行态—>就绪态：分给该进程的时间片被耗尽，或者更高优先级的进程抢占了cpu。
• 运行态—>退出态：进程已运行完成或取消。
• 运行态—>阻塞态：进程等待某些事件的发送，如I/O操作。
• 阻塞态—>就绪态：进程等待的事件已发生。
• 就绪态—>退出态：子进程被父进程终止，此时处于就绪态的子进程将退出。如果父进程终止，则其所有子进程也将终止。
• 阻塞态—>退出态：与上一项一样。

2）包含挂起态的进程生命模型

在五状态模型的基础上，新增了挂起态。

增加挂起态的原因是，IO操作的速度远慢于处理器的运行速度。当cpu调度完了所有进程后，如果这些进程全部处于阻塞状态，则cpu将处于空闲状态，这是一种资源的浪费。

解决办法是，让可运行的进程再多一点，就可以缓解这种尴尬的场面。操作系统采用交换进程的操作，来让处于空闲状态的cpu可以继续工作。当内存中没有就绪状态的进程时，操作系统就将被阻塞的进程换出到磁盘上的挂起队列上。这样内存中就有空间来接受一个新的进程了。被换出的进程处于挂起态。

并且，挂起态是与另外两种状态组合存在的。

• 就绪态：进程已在内存中，等待被cpu调度。
• 就绪/挂起态：进程在磁盘中，但只要加载到内存中，就可以等待被cpu调度。
• 阻塞态：进程已经在内存中，并且在等待某些事件的发生。
• 阻塞/挂起态：进程在磁盘中，并且在等待某些事件的发生。

进程映像表示了一个进程在虚拟内存中的结构，包括程序代码、用户数据、栈（保存参数、局部变量、调用地址等）和属性。共享地址空间是每个进程所共享的一块区域，比如操作系统的内核代码。

进程的属性是由一种称为进程控制块的数据结构来表示的。

进程控制块的信息可以分为3类：

• 进程标识信息。包括进程的标识符pid，该进程的父进程标识符，用户标识符uid。
• 处理器状态信息。包括用户可见寄存器（用户模式下可以使用的寄存器），控制和状态寄存器（程序计数器、模式信息），栈指针（栈用于保存参数或过程调用的地址，栈指针指向栈顶）。
• 进程控制信息。包括调度状态信息（进程状态、优先级、等待事件的标识等），资源使用情况（进程所控制的物理资源），存储管理（描述分配给进程的虚拟内存的页表指针）。

处理器一般支持两种执行模式：用户模式和内核模式。某些级别较高的指令只能在内核模式这种特权模式下运行，包括读写控制寄存器、原始IO操作等。

处理器如何知道执行什么模式？

当由于例如系统调用这样的操作被执行时，此时程序状态字中某个指示执行模式的位，就会发生改变，比如处理器状态寄存器的CPL(当前特权级别)字段会被置为0，级别0表示最高特权级别。

1）为新进程分配一个唯一的进程标识符pid；

2）为新进程分配空间，包括进程映像中的所有元素；

3）初始化进程控制块。对进程控制块中的各字段值设置初始值，注意子进程会继承父进程的资源；

4）设置进程的链接，比如将一个新进程放入就绪链表中；

1）保存处理器的上下文信息，包括程序计数器和其他寄存器的值；

2）更新当前进程的进程控制块，包括更改进程状态；

3）根据进程的状态，将该进程的进程控制块加入到相应的队列，比如就绪队列，事件i的阻塞队列等；

4）处理器根据调度算法，选中另一个就绪进程；

5）更改新进程的进程控制块，包括更改进程状态为运行态；

6）更新内存管理数据结构，是否需要更新取决于管理地址转换的方式；

7）将处理器的上下文恢复为新进程上次退出运行时保存的上下文信息。

简单来说，进程与资源所有权有关，线程与执行有关。

• 进程：每个进程拥有一块独立的虚拟地址空间，用于容纳进程映像；进程是资源分配的基本单位，比如内存、IO设备和文件等，并且这些资源是受操作系统保护的。
• 线程：一个进程中可能有一个或多个线程，同一进程内的所有线程驻留在同一块地址空间，每个线程拥有独立的执行状态(运行或就绪)、独立的线程上下文、程序计数器、执行栈。此外，每个线程与同一进程内的其他线程共享所在进程所拥有的资源。

与进程相比，线程的优点：

• 在某一进程中创建一个新线程所花费的时间，远少于创建一个新进程的时间。
• 终止线程所花费的时间，少于终止进程所花费的时间。
• 同一进程内切换线程所花费的时间，少于切换进程的时间。
• 同一进程的多个线程共享内存和文件，它们无需调用内核就可以相互通信，而进程间的通信需要内核介入，以提供保护和通信所需的机制，所以线程间通信效率更高。

在多线程环境中，一个进程可以定义多个并发线程，方法是使用用户级线程或内核级线程。

• 用户级线程：由进程用户空间中运行的线程库来创建并管理，线程库调度线程，类似于内核调度进程，而内核是感知不到线程存在的。优点：切换用户级线程时，进程不需要为了管理线程而切换到内核模式，节省了两次状态转换（即用户模式到内核模式，内核模式到用户模式）的开销。缺点：①由于内核不知道线程的存在，内核是以进程为单位进行调度的，所以当进程中的某一个线程阻塞时，就会认为整个进程就阻塞了。②并且，内核每次只把一个进程分配给一个处理器，那么一个进程内就无法使用多处理器处理技术。
• 内核级线程：由内核维护，所以内核可以感知到线程的存在。那么，用户级线程中的缺点可以得到解决，即同一进程的多个进程可以在多处理器上并行执行，且一个线程的阻塞不会阻塞整个进程。但是，用户级线程的优点也变成了内核级线程的缺点，即线程间切换需要进行模式转换。