【初探】操作系统之进程线程

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• 日期：20160606
• 作者：i.sshe
• https://github.com/isshe
  

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操作系统之进程线程

1. 问题列表

• 1.1 什么是进程？什么是线程？
• 1.2 进程的基本状态及转换？
• 1.3 进程控制块（PCB）？
• 1.4 进程的运行模式有哪些?
• 1.5 进程间是如何通信的?
• 1.6 系统如何将一个信号通知给进程?
• 1.7 32/64位系统一个进程最多能拥有多少堆内存？
• 1.8 如何实现守护进程?
• 1.9 线程控制块（TCB）?
• 1.10 线程有哪些状态?
• 1.11 线程为什么没有挂起状态?
• 1.12 什么是用户级线程?什么是内核级线程?有何优缺点?
• 1.13 进程和线程的区别?
• 1.14 线程中可以创建线程吗?
• 1.15 线程中可以创建进程吗?
• 1.16 线程的同步机制有哪些？
• 1.17 什么是僵尸进程？什么是孤儿进程？

2016.11.1补充
* 1.18 fork后，子进程继承父进程的什么，父、子进程区别？

2. 拓展问题

• 2.1 什么是上下文？上下文切换又是什么？
• 2.2 堆和栈的区别?
• 2.3 试解释操作系统原理中的作业、进程、线程、管程的定义？

3. 解答

3.1 什么是进程？什么是线程？

• 进程
  
  • 定义：一个执行中的程序的实例．
  • 是一个可拥有资源的独立单位；
  • 是操作系统对一个正在运行的程序的抽象；
  • 是计算机科学中最重要最成功的一个概念；
  • 在一个系统上可以上可以同时运行多个进程；
• 线程
  
  • 调度和分派的基本单位；（只有一些必要的资源，所以也称为＂轻型进程＂）
  • 一个进程内可以创建多个线程；（每个线程都运行在进程的上下文中，并共享的代码和全局数据）

3.2 进程的基本状态及转换？

• 三种基本状态：
  
  • 就绪状态（Ready）.　资源什么的已经准备好了，只要得到处理机就可进入执行状态．
  • 执行状态（Running）.
  • 阻塞状态（Block）.　资源没有得到满足．
• 引入的状态：
  
  • 创建状态．
  • 终止状态．
  • 挂起状态.（下图没有画进去）
• 状态间的转换：
  
  • 

3.3 进程控制块（PCB）

• 进程控制块:操作系统维护的一张进程表.
• 包含的一些字段:
  
  • 进程管理: 寄存器, 程序计数器,程序状态字, 堆栈指针, 进程状态, 优先级, 调度参数, 进程ID(唯一), 父进程, 进程组, 信号, 进程的开始时间, 使用的CPU时间, 子进程的CPU时间, 下次报警时间.
  • 存储管理: 正文段指针, 数据段指针, 堆栈段指针.
  • 文件管理: 根目录, 工作目录, 文件描述符, 用户ID, 组ID.

3.4 进程的运行模式有哪些?

• 
• 进程的工作模式有两种: 内核模式(态)和用户模式(态).
• 处理器通常通过模式位(mode bit)来设置进程运行模式,设置模式位的时候运行在内核模式, 否则运行在用户模式.

• 用户模式到内核模式的方法:

  • 中断
  • 故障
  • 陷入系统调用

• 内核模式到用户模式:

  • 处理程序运行在内核模式中,当它返回到用户程序代码时,就会切换.

3.5 进程间是如何通信的?

• Linux支持的进程间通信机制包括:管道,信号,消息队列,内存共享, 快速用户空间互斥体（futex：fast userspace mutex)等。
• http://blog.csdn.net/i_scream_/article/details/51619428

3.6 系统如何将一个信号通知给进程?

• 信号是软件中断！
• 当系统检测到某软件条件（如SIGURG, SIGPIPE, SIGALRM等，因为是软件中断，所以是软件条件）发生时，将其对应的信号通知给有关进程，并执行特定操作（注册信号时指定的操作）。

3.7 32/64位系统中, 一个进程分别最多能拥有多少堆内存?

• 不懂。
• 网上一种说法是：32位系统中，最大堆内存约等于虚拟内存减1G;

3.8 如何实现守护进程?

• 编程规则：（unix环境高级编程P374）
  
  • 首先，调用umask将文件模式创建屏蔽字设置为一个已知的值（通常是０）；
  • 调用fork()，再exit父进程；
  • 调用setsid创建一个新会话；
    
    • 这里会发生三件事：
      
      • 进程成为新会话的首进程；
      • 进程成为新进程组的组长进程；
      • 进程没有控制终端；
  • 将当前工作目录更改为根目录；（因为从父进程继承过来的目录可能在一个挂载的文件系统中，如果不更改为根目录，则所挂载的文件系统不能卸载）
  • 关闭不需要的文件描述符；
  • 某些守护进程打开/dev/null使其具有文件描述符0, 1, 2。（守护进程不需要交互式输入/输出）

3.9 线程控制块（TCB）

• 每个线程都有自己的线程控制块(TCB),包括:
  
  • 线程ID(TID,唯一,整数)
  • 栈(如同非线程系统上的进程栈,主要存局部变量,参考…[此处有地址….])
  • 栈指针
  • 程序计数器
  • 通用目的计数器
  • 条件码(即各种状态标志)
• 所有运行在一个进程里的线程共享整个虚拟地址空间.(代码段开始虚拟地址为0x00400000[64bit], 0x08048000[32bit])
• 共享进程的代码段,数据段.

3.10 线程有哪些状态?

• 线程和进程都有三个基本状态.且情况一样.

3.11 线程为什么没有挂起状态?

• 挂起: 将资源从内存移动到外存.
• 线程不拥有资源,不管理资源,所以它应有将整个进程或自己本身从主存移动到外存的权限.

3.12 什么是用户级线程?什么是内核级线程?有何优缺点?

1). 用户级线程(ULT)

• 由用户应用程序建立,调度,管理, 操作系统不知道用户级线程的存在.
• 优点:
  
  • 转换的时空开销比内核级线程小得多;
  • 线程的调度算法和操作系统的调度算法无关;
  • 适用于任何操作系统, 因为它与内核无关;
• 缺点:
  
  • 无法利用多处理器的优点, 每次只有一个进程的一个线程在一个CPU上运行.

2). 内核级线程(KLT)

• 所有线程的创建,调度,管理都由操作系统内核负责.
• 优点
  
  • 内核可调度一个进程中的多个线程, 可利用多处理器的优点.(同时在多个处理器上运行,提高程序的执行速度和效率);
  • 当一个进程中的一个线程被阻塞,进程中的其他线程仍可执行;
  • 内核本身也可以以线程的方式实现;
• 缺点:
  
  • 线程切换时空开销大:同一个进程中的线程切换需要两次模式转换(用户态->内核态->用户态),因为线程调度程序运行在内核态,用户应用程序运行在用户态.

3.13 进程和线程的区别?

• 调度:
  
  • 线程是调度和指派的基本单位; 进程是拥有资源的基本单位;
  • 同一进程中,线程切换不会引起进程切换; 不同进程中, 线程切换会引起进程切换.
• 拥有资源:
  
  • 线程不拥有系统资源,但可以访问隶属进程的系统资源.
  • 进程拥有资源
• 并发性:
  
  • 线程具有更好的并发性
• 切换开销:
  
  • 线程开销更小,因为只需保存和设置少量寄存器的内容.
• 通信:
  
  • 同一进程内的多线程通信更容易实现,但也容易出错.

3.14 线程中可以创建线程吗?

• 可以。
• 当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统（OS）创建，与此同时一个线程也立刻运行，该线程通常叫做程序的主线程（Main Thread）。不知是否所有操作系统都适用？

3.15 线程中可以创建进程吗?

• 可以。程序开始的时候就会创建一个主线程用于执行代码。
• 如果线程中用exec系列的函数，则整个进程被替换。
• 如果线程用fork()，则可以。

3.16 线程的同步机制有哪些？

http://blog.csdn.net/i_scream_/article/details/51619428

3.17 什么是僵尸进程？什么是孤儿进程？

• 孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。
• 僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。

3.18 fork后，子进程继承父进程的什么，父、子进程区别？

• APUE p185

• 继承：

  • 读写锁、条件变量、互斥量（这行自己加的、不知道该归哪类）
  • 实际用户ID、实际组ID、有效用户ID、有效组ID。
  • 附属组ID
  • 打开文件
  • 会话ID
  • 控制终端
  • 设置用户ID标志、设置组ID标志
  • 当前工作目录
  • 根目录
  • 文件模式创建屏蔽字
  • 信号屏蔽和安排
  • 对任一打开文件描述符的执行时关闭(close-on-exec)标志
  • 环境
  • 连接的共享存储短
  • 存储映像
  • 资源限制

• 父、子进程区别：

  • fork的返回值不同
  • 进程ID不同
  • 子进程的tms_utime、tms_stime、tms_cutime和tms_ustime的值设置为0（8.17节）
  • 子进程不继承父进程设置的文件锁。！！！
  • 子进程的未处理闹钟被清除。
  • 子进程的未处理信号集设置为空集。

4. 拓展解答

4.1 什么是上下文？上下文切换又是什么？

• 操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息，这种状态，称为上下文．
• 无论是在单核还是多核系统中，一个CPU看上去像是在并发地执行多个进程，这是通过进程切换实现的．操作系统把这种交错执行的机制称为上下文切换．

4.2 堆和栈的区别

• 堆(从低地址往高低至增长): 所使用的局部变量还是在栈上，内容则在堆上．手动释放或者程序结束时由操作系统释放回收．
  
  • 由程序员分配管理[new/malloc/realloc/calloc]．
• 栈(从高地址往低地址增长): 局部变量／局部常量(const)[局部只读变量]／函数调用时返回地址／调用者的环境信息（例如某些机器寄存器）．
  
  • 由编译器自动分配释放管理．
• 关于C/C++程序运行时进程的内存分布情况

4.3 试解释操作系统原理中的作业、进程、线程、管程的定义？

• 作业：用户在一个事务处理过程中要求计算机系统所做的工作的集合。包括用户程序、数据、控制命令等，作业是由一系列有序的步骤组成的。
• 进程：一个程序在一个数据集合上的一次运行过程。
• 线程：进程中的一个实体，是被系统独立调用和执行的基本单位。
• 管程：一个数据结构+在该结构上能为并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

5. 零碎的概念/知识

• 调度: 内核可以决定抢占当前进程, 并重新开始一个先前被抢占的进程, 这种决定叫调度.由内核中呗称为”调度器”的代码完成.
• 父进程ID为０的各进程通常是内核进程（０代表内核），它们作为系统引导装入过程的一部分启动。
• linux中，进程和线程的执行效率是基本相当的。（进程只比线程多了个COW（copy on write）的开销）
• COW技术：写时拷贝。子进程和父进程要更改内存页面时，再拷贝一份给子进程，否则子进程和父进程共享资源。（也就是拷贝之前相当与线程！）

6. 参考资料

6.1 《深入理解计算机系统》
6.2 《计算机操作系统（第四版）》
6.3 《linux就是这个范》