【现代操作系统】第2章 进程与线程

第2章 进程与线程

进程

一个进程就是一个正在执行的程序，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。

创建进程

有四种原因导致创建进程：
1. 系统初始化
2. 执行了从事创建进程的一个系统调用，该系统调用被正在运行的进程所调用
3. 用户请求创建一个新进程
4. 一个批处理作业的初始化
在UNIX中，只能一个系统调用可以用来创建新进程：fork()， 它会创建一个与调用进程相同的副本。子程序接着执行execve，以修改其存储映像并运行一个新程序。
Windows中调用CreateProcess既处理进程的创建，又把正确的程序转入新的进程。

进程的终止

1. 正常退出（自愿的）：UNIX的exit，Windows的ExitProcess
2. 出错退出（自愿的）
3. 严重错误（非自愿的）
4. 被其他进程杀死（非自愿）：UNIX 的kill，Wind32对应的是TerminateProcess

进程的层次结构

进程只有一个父母，但是可以有0个或多个子女
UNIX中，进程和它的所有子女以及后裔共同组成了一个进程组，向进程组发出信号，每个进程都可以分别捕获、处理该信号。
Windows中不存在任何进程层次的概念，所有的进程地位都是相同的。例外：创建进程的时候，父进程会得到一个令牌（句柄），以此来控制子进程。可以把令牌传送给其他进程。UNIX中，进程不能拒绝其子女的继承权。

进程的状态

进程的3个状态
1. 运行态（进程实际占据CPU）
2. 就绪态（可运行，但因为其他进程正在运行而暂时停止）
3. 阻塞态（除非某种外部事件发生，否则进程不能运行）

进程的实现

操作系统维护一张表格，即进程表，每个进程占用一个表项（PCB），PCB包括了进程的状态信息、程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、帐号和调度信息、其他进程状态转换时要保存的信息。
中断向量，保存了中断服务程序的入口地址。所有的中断都是从保存寄存器开始的
中断发生后，操作系统最底层的工作步骤：

1. 硬件压入堆栈程序计数器等

2. 硬件从中断向量装入新的程序计数器

3. 汇编语言过程保存寄存器值

4. 汇编语言过程设置新的堆栈

5. C中断服务例程运行

6. 调度程序决定下一个将运行的进程

7. C过程返回至汇编代码

8. 汇编代码过程开始执行新的当前进程

线程

进程用于把资源集中到一起，线程则是在CPU上被调度执行的实体。
所有的线程都有完全一样的地址空间，也共享相同的全局变量，一个线程可以读写另一个线程的堆栈。

每个进程中的内容	每个线程中的内容
地址空间	程序计数器
全局变量	寄存器
打开文件	堆栈
子进程	状态
[align=justify]即将发生的警报[/align] [align=justify]信号与信号处理程序[/align] [align=justify]账户信息[/align]

线程的使用线程的执行过程：thread_create, thread_exit, thread_wait, thread_yield
用户空间中实现线程
内核对线程一无所知，从内核角度考虑，就是按正常的方式管理，即单线程进程。每个进程都需要有其专用的线程表。用户空间的线程，启动效率比内核调用效率要高，不需要陷入、不需要上下文切换，这就使得调度灰常快捷。
用户级线程的问题：如何实现阻塞系统调用，程序都是永久运行的
内核中实现线程
内核中有记录系统中所有线程的线程表。当一个线程阻塞时，内核根据其选择，可以运行同一个进程中的另一个线程或者另一个进程中的线程。而在用户级线程中，运行时系统始终运行自己进程中的线程，直到被内核剥夺其CPU。
在内核中创建和撤销线程的代价交大，当某个线程被撤销时，就把它标记为不可运行的，但是其内核数据结构没有受到影响。稍后创建一个新进程时，就重新启动某个旧线程，这就节省了一些开销。

进程间通信

竞争条件：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序
临界区：对共享内存进行访问的程序片段
任何一个好的解决互斥的方案必须满足四个条件：

1. 任何两个进程不能同时位于其临界区

2. 不应对CPU的速度和数量做任何假设

3. 临界区外运行的进程不得阻塞其他进程

4. 不得使进程无限期等待进入临界区
实现互斥的方案

1. 禁止中断：每个进程刚刚进入临界区后立即禁止所有的中断，并在就要离开之前再打开中断。禁止中断后，CPU就不会切换到其他进程

2. 锁变量：一个共享变量，初值为0。这个办法不能很好解决互斥问题，假设进程P1读取变量值为0，而在P1将它设为1之前，P2被调度运行，将锁变量设为1，这时就有两个进程进入临界区

3. 严格轮转法：
while(true) {
while(turn != 0)
critical_region();
turn= 1;
noncritical_region();
}
while(true) {
while(turn != 0)
critical_region();
turn= 1;
noncritical_region();
}
这个办法避免了所有的竞争条件，但是会让临界区外的进程阻塞其他进程

4. Peterson解法
void enter_region(int process)
{
    int other;
    other = 1 - process;
    interested[process] = true;
    turn = process;
    while(turn == process && interested[other] == true)
}
void leave_region(int process)
{
    interested[process] = false;
}

5. TSL指令，需要硬件支持
信号量
PV操作
管程（一个由过程、变量及数据结构等组成的集合），任意时刻管程中只能有一个活跃进程。
消息传递，两条进程原语：send和receive

调度

调度算法的目标：公平、策略强制执行、平衡。批处理系统的目标是吞吐量、周转时间、CPU使用率。交互式系统的目标是响应时间、均衡性，实时系统的目标是截止时间、可预测性。
批处理系统中的调度：先来先服务、最短作业优先、最短剩余作业优先、三级调度（输入、内存调度、CPU调度）
交互式系统的调度：轮转调度、优先级调度、多级队列、最短进程优先、保证调度、彩票调度、公平分享调度
实时系统中的调度：硬实时、软实时