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操作系统之进程与线程的理解（一）

news 来源：原创 2025/9/18 16:56:09

对进程的理解

进程是可以并发执行的程序在某个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程由三部分组成，程序，数据和进程控制块（简称PCB）。简单的说，进程就是程序的一次执行

为确保进程安全可靠的并发执行引入了进程控制机制

原语是由若干条机器指令构成的并用以完成特定功能的一段程序，而且这段程序在执行期间不允许中断。原语作为一个状态不可分隔。确保并发执行状态下，系统核心数据的正确性。

什么时候需要创建进程呢

1. 用户登录时，由OS为合法终端创建一个进程 2.调度到某个批处理作业时，由作业调度程序创建 3.运行程序请求提供服务(如：打印文件)，由OS创建 4.运行中进程因自己的需要，由它自己创建子进程

允许进程创建子进程，子进程可以继承父进程的所拥有的资源，从而形成树型进程家族。优点如下：

第一，资源分配严格。祖先拥有进程家族的所有资源，子进程可在祖先进程所拥有的资源中进行分配、使用与归还。
第二，进程控制灵活。可根据需要给予进程不同的控制权力，而且可根据需要创建第多个子进程并行工作，协同完成任务。
第三，进程层次清晰，关系明确，方便管理。

进程的创建方式

进程的具体创建方式分为两种。一种是操作系统初始化，建立起一些常驻内存的系统进程；另一种是使用创建原语，用于创建非常驻内存系统进程和用户进程，具体过程如下：
第一步，创建一个空白PCB，分配一个唯一的进程标识符；
第二步，为新进程的程序和数据分配内存空间；
第三步，初始化进程控制块，填入处理机的状态信息和控制信息，如指令指针、栈指针、优先级等；
最后，设置相应的链接，将新进程PCB加到就绪队列的链表中。

进程状态转换相关原语

进程阻塞

处于运行状态的进程，在其运行过程中期待某一事件发生，如请求系统服务、等待键盘输入等，主动调用阻塞原语(block)将自己阻塞，把CPU让给其他进程执行。
阻塞原语执行时，使处于运行态的进程停止运行，将运行现场保存在其PCB的CPU现场保护区，然后将改进程的状态由运行态变为阻塞态，并将其PCB插入到相应等待事件的阻塞队列中。最后，转进程调度程序重新调度，将处理机分配给一个就绪进程，按新进程PCB中的处理机状态设置CPU环境，使它投入运行。

进程唤醒

当被阻塞进程期待的事件到来时，由中断处理进程或其它产生该事件的进程调用唤醒原语(wakeup),将期待该事件的阻塞进程唤醒。如果该事件是等待I/O设备操作完成，则由硬件提出中断请求，在中断处理程序中寻找并唤醒阻塞进程。如果事件是等待某进程发一个信息，则由发送进程把该等待进程唤醒。
在唤醒原语执行时，将被阻塞进程从相应等队列中移出,并将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪态，然后将该进程插入就绪队列中。

进程挂起

当进程请求将自己挂起或父进程请求将子进程挂起时，调用挂起原语(suspend)，将指定进程挂起。
挂起原语在执行过程，检查要挂起进程的状态，若处于活动就绪态就将其改为静止就绪态，对于活动阻塞态的进程则将其改为静止阻塞态。如果被挂起的进程正在执行则还要转到调度程序重新调度。

进程激活

要激活指定进程，调用激活原语(active)将它激活。在执行过程，将要激活的进程调入内存，并检查它的状态，若是静止就绪态则将其改为活动就绪态,若为静止阻塞态就将其改为活动阻塞态。如果采用的是抢占调度策略,被激活的进程优先级高则引起重新调度。

通常在以下情况需要终止一个进程：
第一 正常结束。在批处理系统中，进程已运行完成遇到Halt指令，或分时系统中,用户退出登录，需要结束当前进程。
第二 异常结束。当前进程发生出错和故障事件，如内存越界、写只读文件、算术运算错、运行超时等，由于无法继续执行，需要结束当前进程。
第三 外界干预。在操作系统干预、父进程请求、父进程终止等情况下，也需要结束当前进程。

进程中止

一旦发生上述终止进程的事件，OS便调用撤消原语终止当前进程，具体过程如下：
首先若进程处于执行态, 应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真；若有子孙进程则将其全部终止，以防它们失控，然后将该进程所占有的全部资源还给父进程或系统；将该进程的PCB从所在队列中移出，回收PCB

创建进程属于一种机制 top指令可以查看进程的动态情况一个进程一旦创建就可以为其分配cpu，并运行

由于进程是资源拥有者，创建、撤消与切换存在较大的时空开销，因此需要引入轻型进程；二是由于对称多处理机（SMP）出现，可以满足多个运行单位，而多个进程并行开销过大。
因此在80年代，出现了能独立运行的基本单位——线程（Threads）。

对线程的理解

为什么要引入线程

由于进程是资源的拥有者，所以在创建、撤销、切换操作中需要较大的时空开销，限制了并发程度的进一步提高。为减少进程切换的开销，把进程作为资源分配单位和调度单位这两个属性分开处理，即进程还是作为资源分配的基本单位，但是不作为调度的基本单位（很少调度或切换），把调度执行与切换的责任交给“线程”。这样做的好处不但可以提高系统的并发度，还能适应新的对称多处理机（SMP）环境的运行，充分发挥其性能。

即：占用较少的资源系统/同一进程内的线程共享内存和文件/提高应用程序的性能/使用多处理机效率更高/改善程序的结构

什么是线程

线程是OS调度和分派的基本单位，被包含在进程中，一条线程指的是进程内一个执行单元。它的特点：进程轻，进程的实体是程序，线程的实体是函数，共享进程的资源，进程中的多个线程可并发执行，还可以独立调度，拥有很少的资源

进程和线程几乎共享所有的资源，包括代码，数据，进程空间，打开的文件等，线程只拥有自己的寄存器和栈，因此，线程非常轻量级，线程之间切换时，系统的开销小，并发度高。

	进程	线程
组成	程序+数据+PCB	函数+数据+TCB（线程控制块）
基本单位	资源分配和独立调度的单位	仅仅是独立调度的单位
并发性	多个进程可并发执行，并发度低	多个线程可并发执行，并发度高
共享资源	每个进程拥有自己的资源	线程共享其所在进程的资源

（1）线程是进程的一个组成部分。每个进程创建时通常只有一个线程，需要时可创建其他线程。
（2）进程的多线程都在进程的地址空间活动。
（3）资源是分给进程的，不是分给线程的。线程在执行中需要资源时，可共享基础的资源，每个线程只拥有少量寄存器和独立的栈，这是其独立执行环境的必要条件。
（4）处理机调度的基本单位是线程，线程之间竞争处理机。真正在CPU上运行的是线程。
（5）线程在执行时，如果有共享资源，就需要同步。

线程的实现方式为用户级线程/内核级线程/两者结合

线程的分类

用户级线程

仅存在于用户空间中，由应用程序通过线程库完成所有线程的管理；内核不知道线程的存在，线程切换不需要内核特权；内核管理含线程的进程的活动，但不管理线程；当用户级线程调用系统调用时，整个进程阻塞。

内核级线程

所有线程管理由内核完成；内核维护进程和线程的上下文；线程之间的切换需要内核支持；以线程为基础进行调度。

线程模型

多对一关系

将多个用户级线程映射到一个内核级线程。

一对一关系

一个用户级线程映射到一个内核级线程。

多对多关系

任意数量N的用户线程到相等或者小于N的内核线程的多路复用。

内存地址空间是进程级别的资源，由进程统一管理和拥有

问题：进程和线程到底共亨哪些资源，哪些不能共享?
答:共享的资源有:地址空间，打开的文件描述符，信号处理函数，全局变量。不共享的资源有:线程ID，寄存器状态，栈空间等。

cpu通过PSW（程序状态字）进行标识，X86的PSW有2位二进制：00系统态，11用户态

用户态—内核态

系统调用/设备中断/异常

内核态—用户态

直接设置程序状态字PSW