Process

Multiprogramming

  • CPU快速地在进程和进程间切换，每一个运行几十或几百毫秒
  • 在任何时候，CPU只运行一个进程
  • when the system is booted, many processes are running simultaneously

Process Creation 进程创建

  • 事件会造成进程创建

    1.System initialization

    2.Created by a running process.

    3.User request to create a new process

    4.Initiation of a batch job

  • Foreground processes：与用户交互并为其执行工作的流程

  • Background processes ：处理一些传入请求，称为守护进程 daemons。

Process Termination 进程中止

  • 造成进程中止地条件
    • 正常退出（自愿的）
    • 出错退出（自愿的）
    • 严重错误（非自愿）
    • 被其他进程杀死（非自愿）

Process state 进程的状态

进程从阻塞状态出来后，会进入等待队列的末尾，等待进入运行状态

Process implement 进程的实现

  • 进程表--process table
    • 操作系统为每个进程维护一个进程表，其中包含一个条目（称为进程控制块 (PCB)）。
      • process control block
    • 包含了进程状态的重要信息
  • Context switch 上下文切换
    • 从P1切换到P2的时候，进程P1(Running)会保存在进程P1的PCB中，P2(Ready)会从P2的PCB中重新读取到CPU寄存器中
  • 伪并行：进程之间的快速切换产生了真正并行的假象，称为伪并行。
    • Pseudo-parallelism

Multiprogramming 多道程序设计模型

  • n个进程，p概率等待 \[ CPU利用率=1 - p^n \]

Thread 线程

  • 执行线程是可由调度程序独立管理的最小编程指令序列，调度程序通常是操作系统的一部分
    • can be managed independently by a scheduler
  • 线程和进程的实现在操作系统之间有所不同，但在大多数情况下，线程是进程的一个组件。
    • a thread is a component of a process
  • 一个进程中可以存在多个线程，并发执行并共享内存等资源，而不同的进程不共享这些资源。特别是，进程的线程在任何给定时间共享其可执行代码及其变量的值。
    • can exist within one process, executing concurrently and sharing resources

需要线程的原因

  • 响应能力：可以同时完成多个活动。

  • 资源共享：线程共享进程的内存和资源。

  • 经济性：线程很容易创建和销毁。

  • MP（多处理器）体系结构的利用：线程在多CPU系统上很有用。

单线程进程和多线程进程

Thread Model 线程模型

在一个进程中，一些项目被所有线程共享，一些项目对于每个线程来说是私密的

进程和线程的比较

  • 线程
    • 是轻量级的进程，是CPU利用的基本单位, 一个基本的CPU执行单元
    • 线程包含一个线程ID、一个程序计数器、一组寄存器和一个栈
    • 线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位
    • 线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。
  • 进程
    • 传统的进程可控制单线程
    • 如果进程有多线程的控制，可以在同一时间进行多个任务
  • 线程是调度执行的最小单位,进程是资源分配的最小单位(如虚拟内存资源)
  • Process：used to group resources together;
  • Thread：the entity scheduled for execution on the CPU
  • 引入进程的目的，是为了使多道程序并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量；
  • 而引入线程，则是为了减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

POSIX thread

POSIX (Portable Operating System Interface) 是一组基于Unix操作系统的标准操作系统接口

在用户空间中实现线程

  • 优点：

    • 快速，灵活的，可扩展
    • 用户级线程包可以在不支持线程的操作系统上实现
    • 允许每个进程有自己定制的调度算法

  • 缺点：

    • 阻塞进程中的所有线程；
    • 多处理器上没有线程级并行。

在内核空间中实现线程

  • 优点：

    • 只阻塞进程中的适当线程;
    • 支持多处理器上的线程级并行

  • 缺点：

    • 线程管理速度慢；
    • 庞大的线程表

混合使用

  • 在内核线程上多路复用用户级线程。
  • 内核只知道内核级线程，并对其进行调度。
  • 更灵活，但更复杂。

System overhead: 系统开销

Cpu utilization: Cpu利用率

System throughput: 系统吞吐量

Check points

  1. How many states can a process have?
  2. How to create and terminate a process in Windows?
  3. What is PCB?
  4. What is Context Switch?
  5. What are the differences between process and thread？

Solution

  1. there are three states: running, block, ready

    1. CreateProcess是Windows下用于创建进程的API函数,用来创建一个新的进程和它的主线程，这个新进程运行指定的可执行文件。

      第一阶段：打开目标映像文件

      第二阶段：创建内核中的进程对象

      第三阶段：创建初始线程

      第四阶段：通知windows子系统进程csrss.exe进程来对新进程进行管理

      第五阶段：启动初始线程

      第六阶段：用户空间的初始化和Dll连接

    2. TerminateProcess

  3. PCB is process control block, which includes the neccessary information that process needs and the process.

  4. 从P1切换到P2的时候，进程P1(Running)会保存在进程P1的PCB中，P2(Ready)会从P2的PCB中重新读取到CPU寄存器中

    • Thread
      • is the basic unit of CPU utilization and scheduler execution
      • is a part of the process, is the light process
      • can share some resourse of the process with the other threads in the process, but some items are private to each thread
    • Process
      • is the basic unit of resourse ditribution
      • can control single thread or multi thread