计算机操作系统-第二章

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title: 计算机操作系统-第二章
date: 2019-09-05 21:42:21
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• operating sysytem
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• operating system

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进程与线程

• 定义：一个正在执行程序的实例（一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程），在进程模型中，计算机上所有可以运行的软件，通常也包括操作系统，都会被组织成若干个进程

• 进程和程序的关系：

  1. 程序是产生进程的基础
  2. 程序的每次运行构成不同的进程
  3. 进程是程序功能的体现
  4. 通过多次执行，一个程序可以对应多个进程，通过调用关系，一个进程可以包含多个程序

• 区别：

  1. 进程是动态的，程序是静态的，程序是有序代码的集合，进程是程序的执行，进程有核心态/用户态
  2. 进程是暂时的，程序是永久的，进程是一个状态变化的过程，程序可以长久保存
  3. 进程和程序的组成不同，进程的组成包括程序、数据和进程控制块（PCB 进程状态信息)

• 程序的顺序执行：

  1. 顺序性，严格按照顺序执行；
  2. 封闭性，封闭环境下运行，独占全集资源，结果不受外界干扰；
  3. 可再现性，程序重复执行，得到相同结果。

• 程序并发执行

  1. 间断性，相互合作、相互制约，“执行——暂停——执行”；
  2. 失去封闭性，系统资源共享，状态也随之改变；
  3. 不可再现性，失去封闭性->失去可再现性。

• 特征

  1. 动态性，最基本特征，进程的实质是进程实体的执行过程，“由创建产生，由调度执行，由撤销消亡”，进程实体有一定的生命周期，而程序是静态的，只是一组有序指令的合集；
  2. 并发行，多个进程实体同存于内存中，能在一段时间内同时运行。程序(没有建立 PCB) 是不能参与并发执行的，走走停停；
  3. 独立性，进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位；
  4. 异步性，异步方式，即各自独立的、不可预知的速度向前推进。
  5. 结构性，PCB 描述

• 三个基本状态：

  1. 就绪 (Ready) 状态，进程已分配到除 CPU 外的所有必要资源，只要获得 CPU 就执行。若系统中有多个就绪状态的进程，砸按一定的策略排成一个队列——就绪队列；
  2. 执行 (Running)状态，进程已获得 CPU，正在执行，单处理机环境，最多一个运行；
  3. 阻塞 (Block)状态， 等待态 ，执行的进程由于某事件暂时无法继续执行。此时引起进程调度。也有阻塞队列的说法，也称等待状态或封锁状态。

• 创建状态和终止状态
  1. 创建状态：比如系统尚无足够的内存是进程无法装入其中，此时创建工作尚未完成，进程不能被调度运行
  2. 终止状态：当一个进程到达了自然结束点，或者是出现了无法克服的错误或者是被操作系统所终结，或者是被其他有终结权限的进程所终结，将进入终结状态

挂起操作和进程状态的转换

• 引入挂起原语操作后三个进程状态的转换（suspend和active）
  1. 活动就绪 -> 静止就绪
  2. 活动阻塞 -> 静止阻塞
  3. 静止就绪 -> 活动就绪
  4. 静止阻塞 -> 活动阻塞
• 引入挂起操作后5个进程状态的转换
  1. NULL -> 创建
  2. 创建 -> 活动就绪
  3. 创建 -> 静止就绪
  4. 执行 -> 终止

进程管理中的数据结构

• 进程控制块(pcb)的作用

  1. 作为独立运行基本单位的标志（进程的唯一标志）
  2. 实现间断性运行方式
  3. 提供进程管理所需要的信息
  4. 提高进程调度所需要的信息
  5. 实现和其他进程的同步和通信
  6. 总结：其实就是 地位 & 意义、进程并发、进程管理、进程调度、进程同步、进程通信。为这些操作提供信息

• 进程控制块中的信息

  1. 进程标识符：唯一地标识一个进程，一个进程通常两种标识符：

     外部标识符：方便用户(进程)对进程的访问

     内部标识符：方便os对进程的使用

  2. 处理机状态：处理机的上下文，由各种寄存器中的内容组成

  3. 进程调度信息：进程状态、进程优先级、进程调度所需的其他信息、事件

  4. 进程控制信息：程序和数据的地址、进程同步和通信机制、资源清单、链接指针

进程控制

• 处理机执行状态

  1. 系统态：又称为管态，也称为内核态，它具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区，传统的os都在系统态运行
  2. 用户态，又称为目态，它具有较低特权的执行状态，仅能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区

• 支撑功能

  1. 中断处理``，最基本，OS 活动的基础
  2. 时钟管理，时间控制
  3. 原语操作，``原语(Primitive)，是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，它是”原子操作“区别于一般过程。”原子操作“指，一个操作中的所有动作要么全做

• 资源管理功能

  • 进程管理
  • 存储器管理
  • 设备管理

• 进程的创建

  1. 进程的层次结构:OS 允许一个进程创建另一个进程，父进程和子进程

  	2. 引起创建进程的事件:用户登录、作业调度、提供服务、应用请求
          	3. 进程的创建：os调用进程原语创建一个新进程

进程的终止

• 引起终止是事件
  1. 正常结束：表示进程的任务已经完成，准备退出运行
  2. 异常结束：进程在运行时候发生了某种异常事件，是程序无法继续运行
  3. 外界干预：是指进程应外界的请求而终止运行
• 如果系统中发生了要求终止进程的某事件，OS便调用进程终止原语，按下述过程去终止指定的进程：
  1. 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态；
  2. 若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度；
  3. 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程也都予以终止，以防它们成为不可控的进程；
  4. 将被终止进程所拥有的全部资源或者归还给其父进程，或者归还给系统；
  5. 将被终止进程(PCB)从所在队列(或链表)中移出，等待其它程序来搜集信息

进程的阻塞和唤醒

• 引起进程阻塞和唤醒的事件：向系统请求共享资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达、等待新任务的到达

• 进程阻塞过程：正在执行的进程，如果发生了上述事件，进程便通过调用阻塞原语block将自己阻塞，阻塞是进程的一种主动行为

• 进程唤醒过程：当被阻塞进程所期待的事情发生时候，则由有关进程(比如提供数据的进程)嗲用wakeup原语,将等待该事件的唤醒

  1. 将被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中溢出，将其PCB中的状态从阻塞改为就绪
  2. 将PCB插入到就绪队列中

进程的挂起和唤醒

• 进程挂起

  当出现了引起进程挂起的事件时，系统将利用挂起原语 suspend 将指定进程挂起。挂起原语的执行过程是：

  1. 检查被挂起进程的状态：若正处于活动就绪状态，便将其改为静止就绪；

  2. 对于活动阻塞状态的进程，则将其改为静止阻塞；

  3. 为了方便用户或父进程考查该进程的运行情况，而把该进程的 PCB复制到某指定的内存区域；

  4. 最后，如被挂起的进程正在执行，则转调度程序重新调度

• 进程激活

  当发生激活过程的事件时，若进程驻留在外存而内存中已有足够的空间，则可将在外存上处于静止就绪状态的进程换入内存。这时，系统将利用激活原语 active 将指定进程激活。

  1. 先将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态：若是静止就绪，便将其改为活动就绪；若为静止阻塞，便将其改为活动阻塞。

  2. 假如采用的是抢占调度策略，则每当有新进程进入就绪队列时，应检查是否要进行重新调度，即由调度程序将被激活进程与当前进程进行优先级的比较，如果被激活进程的优先级更低，就不必重新调度；否则，立即剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚被激活的进程。

进程同步

进程同步的基本概念

• 主要任务是对多个相关进程在执行次序进行协调，使并发执行的诸进程之间能按照一定的规则(或时序)共享系统资源，并能很好合作，从而使程序的执行具有可再现性

• 两种制约关系

  1. 间接相互制约关系：多个进程并发执行，由于共享系统资源，形成的制约关系
  2. 直接相互制约关系：进程的相互合作导致直接制约关系

• 临界区(Critical section)

  不论是硬件临界资源还是软件临界资源，多个进程必须互斥地对它进行访问。人们把在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区

• 同步机制应遵循的规则

  1. 空闲让进
  2. 忙则等待
  3. 有限等待
  4. 让权等待

硬件同步机制

• 关中断：关中断是实现互斥的最简单的方法之一。在进入锁测试之前关闭中断，直到完成锁测试并上锁之后才能打开中断
  1. 滥用关中断权力可能导致严重后果
  2. 关终端时间过长，会影响系统效率，限制了处理器交叉执行程序的能力
  3. 关中断方法不适用于多cpu系统
• 利用 Test-and-Set 指令实现互斥
• 利用 Swap 指令实现进程互斥

信号量机制

• 整型信号量：最初信号量 S 是一个整型变量，除初始化外，对信号量仅能执行两个原子操作，即 wait(S) 和 signal(S)，这两个原子操作以前多称为 P、V 操作。并未遵循“让权等待”的准则

  wait(S)
  {
      while (S<=0); // do no-loop
          S--;
  }
  
  singal(S)
  {
      S++;
  }
  

• 记录型信号量：采取了“让权等待”的策略后，出现多个进程等待访问同一临界资源的情况。为此，在信号量机制中，除了需要一个用于代表资源数目的整型变量 value 外，还应增加一个进程链表指针list，用于链接上述的所有等待进程

  typedef strcut {
      int value;
      struct process_control_block *list;
  }semaphore;
  wait(semaphore *S)
  {
      S->value--;
      if(S->value<=0) block(S->list);
  }
  singal(semaphore *S)
  {
      S->value++;
      if(S->value<=0) wakeup(S->list);
  }
  

  S->value 的初值表示系统中某类资源的数目，又称资源信号量，每次 wait 操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，使系统中可供分类的该类资源数减少一个，所以是 S->value–；当 S->value<0 时，表示该类资源已分配完毕，则调用 block 进行自我阻塞，插入 list；这就是“让权等待”准则。此时，S->value 的绝对值表示在该信号量链表中已阻塞进程的数目,对信号量的每次signal操作表示执行进程释放一个单位资源，使系统红可供分配的该类资源数增加一个，s->value++操作表示资源数目加1.若加1后面s->value<=0，则表示在该信号量的链表中人有等待该资源的进程被阻塞，还应调wakeup原语,将s->list链表中的第一个等待进程唤醒，如果s->value的处置为，表示i只允许一个进程访问临界资源，此时的信号量转化为互斥信号量,进程互斥

• AND 型信号量：在有些应用场合，是一个进程往往需要获得两个或更多的共享资源后方能执行其任务。假定现有两个进程 A 和 B，它们都要求访问共享数据 D 和 E。则设置两个互斥信号量 Dmutex 和Emutex，初值为 1

  AND 同步机制基本思想：将进程中整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。在一个原语中，对多个临界资源的分配采用原子操作方式，要么全部分配给它，要么一个都不分配。称为 Swait(Simultaneous Wait)

  Swait(S1,S2,....Sn)
  {
      while(TRUE)
      {
          if（S1＞=1 && S2＞=1 && ....&& Sn＞=1){
              for (i=1;i<=n;i++)  Si--;
              break;
          }
          else{
              place the process in the waiting queue associaed with the first Si found with Si<1, and set the program count of this process to the beginning of Swait operation
          }
      }
  }
  Ssignal(S1,S2,....Sn)
  {
      while(TRUE)
      {
          for (i=1;i<=n;i++) {
              Si++;
           	remove all the process waiting in the queue associated with Si into the ready queue
          }
      }
  }
  

• 信号量集

  对 AND 信号量机制加以扩充，对进程所申请的所有资源以及每类资源不同的资源需求量，在一次 P、V 原语操作中完成申请或释放。进程对信号量 $S_i$ 的测试值由 1 变为该资源的分配下限值 $t_i$ ，即要求 $s_i >= t_i$ ，否则不予分配。一旦允许分配，进程对该资源的需求值为 $d_i$，表示资源占用量，进行 $S_i = S_i - d_i$ 的命令。对应的的 Swait 和 Ssingal 格式为：

  Swait($S~1~,t~1~,d~1~,…,S~n~,t~n~,d~n~)$）;

  Ssingle($S~1~,d~1~,…,S~n~,d~n~$);

  一般“信号量集”有下面几种特殊情况：

  • Swait(S, d, d)。表示每次申请 d 个资源，当少于 d 个时，便不分配；

  • Swait(S, 1, 1)

    1. S>1。蜕化为记录型信号量；

    2. S=1。蜕化为互斥信号量；

  • Swait(S, 1, 0) 作为一个可控开关

    1. 当 S≥1 时，允许任何进程进入临界区；

    2. 当 S=0 时，禁止任何进程进入临界区

信号量集的应用

• 利用信号量实现互斥

  设 mutex 为互斥信号量，初值为 1。

  1. mutex = 1，两个进程皆未进入需要互斥的临界区；

  2. mutex = 0，一个进程进入临界区运行，另外一个必须等待，挂入阻塞队列；

  3. mutex = -1，一个进程正在临界区运行，另一个进程因等待而阻塞在信号量队列中，需要被当前以在临界区运行的进程退出时唤醒。

• 在利用信号量机制实现进程互斥时候应该注意，wait(mutex)和signal(muex)必须成对出现

  1. 缺少wait(mutex)将会导致系统混乱，不能保证对临界资源的户次访问
  2. 确实signal(mutex)将会使临界资源永远不被释放，从而使因等待该资源而阻塞的进程不能被唤醒

管程机制

• 一个管程定义了一个数据结构和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

• 组成

  1. ①管程的名称
  2. ②局部于管程的共享数据结构说明
  3. ③对该数据结构进行操作的一组过程
  4. ④对局部于管程的共享数据结构设置初始值的语句

• 特性

  1. 模块化，管程可以单独编译
  2. 抽象数据类型，管程中数据和对数据的操作
  3. 信息掩蔽，指管程中的数据结构只能被管程中的过程访问

• 和进程区别

  1. 虽然二者都定义了数据结构，但进程定义的使私有数据结构PCB，管程定义的是公共数据结构
  2. 二者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序程序执行有关操作，而管程是同步操作和初始化操作
  3. 设置进程的目的在于实现系统的并发性，而管程的设置是为了解决共享资源互斥使用问题
  4. 进程通过调用管程中的过程对共享数据结构进行操作，管程是被动工作方式，进程是主动工作方式
  5. 进程之间能并发执行，而管程则不能与器调用并发
  6. 进程具有动态性，而冠城则是操作系统中的一个资源管理模块，共进程调用

经典进程的同步问题

生产者-消费者问题

• 利用记录型信号量解决生产者—消费者问题

  假定生产者和消费者之间有 n 个缓冲区，这时可利用互斥信号量 mutex 实现诸进程对缓冲池的互斥使用；信号量 empty 和 full 分别表示缓冲池中空缓冲区和满缓冲区的数量。mutex 初值是 1，full 初值为 0，empty 初值为 N，full + empty = N。

  int in=0,out=0;
  item buffer[n];                    // mutex=1 只有 1 个信号量供共同占用
  semaphore mutex=1,empty=n,full=0;  // 信号量和初值一定要有
  void  producer() {                 // n = 1 时，mutex 就不再需要
  	do {
      	produce an item in nextp;
          …
          wait(empty);
          wait(mutex);
          buffer[in] = nextp;
          in = (in + l)% n;
          signal(mutex);
          signal(full);
      }while(TRUE) ;
  }
  void consumer() {
      do{
          wait(full);
          wait(mutex);
          nextc = buffer(out);
          out = (out + l) % n;
          signal(mutex);
          signal(empty);
          consume an item in nextc;
          ....
      }while(TRUE);
  }
  void main() { // main 函数实际上是一个进程，这里用两个函数明显不妥
  	cobegin
        	procedure();
      	consumer();
  	coend;
  }
  

  在进程同步管理时一个共享资源可能要设二个信号量，而在进程互斥管理时只要设一个信号量；资源信号量的 wait 与 signal 操作，也成对出现，但分别出现在不同的程序中；每个程序中的 wait 操作不能颠倒，必须先执行对资源信号量的 wait 操作，然后执行互斥信号量的 wait 操作，否则可能引起进程死锁。

哲学家进餐问题

• 利用记录型信号量解决哲学家进餐问题

  semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};
  do{
  	wait(chopstick[i]);
  	wait(chopstick[(i+1)%5]);
  	//eat;
  	signal(chopstick[i]);
  	signal(chopstick[(i+1)%5]);
  	//think;
            ...
  }while(TRUE);
  

  规定奇数号哲学家先拿左边筷子，然后再拿右边筷子，偶数号相反

读者写者问题

• 允许多个进程同时读一个共享对象，但不允许一个 Writer 进程和其他 Reader 进程或 Writer 进程同时访问共享对象。

• 利用记录型信号量解决读者—写者问题互斥信号量 Wmutex，整形变量 Readcount 表示正在读的进程数目。当 Readcount=0 时 Reader 进程才需要执行 Wait(Wmutex) 操作。若 Wait(Wmutex) 操作成功，Reader 进程便可以去读，便做 Readcount+1 的操作。同理，仅当 Readcount-1 为 0 时，才须执行 signal(Wmutex) 操作，以便让 Writer 进程写操作。因为 Readcount 是一个可以被多个 Reader 进程访问的临界资源，因此也设置一个互斥信号量 rmutex

  semaphore rmutex=1,wmutex=1;
  int readcount=0;
  void reader(){
      do{
          wait(rmutex);
          if(readcount==0) wait(wmutex);
          readcount++;
          signal(rmutex);
          …
          perform read operation;
          …
          wait(rmutex);
          readcount--;
          if(readcount==0) signal(wmutex);
          signal(rmutex);
      }while(TRUE);
  }
  void writer(){
      do{
          wait(wmutex);
          perform write operation;
          signal(wmutex);
      }while(TRUE);
  }
  void main(){
      cobegin
          reader();writer();
      coend
  }
  

进程通信

• 低级进程通信：进程的互斥与同步。①效率低②通信对用户不透明
• 利用 OS 提供的高级通信工具：①使用方便②高效地传送大量数据，利用高级通信命令(原语)

进程通讯的类型

• 4大类：共享存储器系统、管道通信系统、消息传递系统、客户机—服务器系统

• 在共享存储器系统中，相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区，进程之间能够通过这些空间进行通信。据此，又可把它们分成以下两种类型：

  1. 基于共享数据结构的通信方式，这种通信方式仅适用于传递相对少量的数据，通信效率低下，属于低级通信
  2. 基于共享存储区的通信方式，属于高级通信

• 管道(pipe)通信系统

  所谓“管道”，是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件，又名 pipe 文件。

  1. 向管道(共享文件)提供输入的发送进程(即写进程)以字符流形式将大量的数据送入管道；

  2. 而接受管道输出的接收进程(即读进程)则从管道中接收(读)数据。

  由于发送进程和接收进程是利用管道进行通信的，故又称为管道通信。

  管道机制必须提供以下三方面的协调能力：① 互斥② 同步③ 确定对方是否存在

• 消息传递系统(Message passing system)

  在该机制中，进程不必借助任何共享存储区或数据结构，而是以格式化的消息 (message)为单位，将通信的数据封装在消息中，并利用操作系统提供的一组通信命令(原语)，在进程间进行消息传递，完成进程间的数据交换。

  基于消息传递系统的通信方式属于高级通信方式，因其实现方式的不同，可进一步分成两类：(1) 直接通信方式(2) 间接通信方式

• 客户机-服务器系统(Client-Server system)

  • 套接字(Socket)

    最流行的网络通信程序接口之一，被设计用在同一台主机上多个应用程序之间的通信(即进程间的通信)，主要是为了解决多对进程同时通信时端口和物理线路的多路复用问题。

    一个套接字就是一个通信标识类型的数据结构，包含了通信目的的地址、通信使用的端口号、通信网络的传输层协进程坐在的网络地址、针对客户或服务器程序提供的不同系统调用(API函数)。包括两类：

    1. 基于文件型：同一台机器的网络环境，基于本地文件系统支持，一个套接字关联到一个特殊文件，通信双方通过对其读写实现通信(类似管道)。
    2. 基于网络型：非对称方式通信。通信双方的进程在不同主机的网络环境下，被分配一对套接字，一个服务器端(接受进程)，一个客户端(服务器端)。

  • 远程过程调用和远程方法调用

    远程过程(函数)调用 RPC(Remote Procedure Call)，是一个通信协议，允许一台主机(本地)系统上的进程调用另一台主机(远程)系统上的进程。

    主要步骤：

    1. 本地过程调用者以一般方式调用远程过程在本地关联的客户存根，传递相应的参数，然后将控制权转移给客户存根；
    2. 客户存根执行，完成包括过程名和调用参数等信息的消息建立，将控制权转移给本地客户进程；
    3. 本地客户进程完成与服务器的消息传递，将消息发送到远程服务器进程；
    4. 远程服务器进程接收消息后转入执行，并根据其中的远程过程名找到对应的服务器存根，将消息转给该存根；
    5. 该服务器存根接到消息后，由阻塞状态转入执行状态，拆开消息从中取出过程调用的参数，然后以一般方式调用服务器上关联的过程；
    6. 在服务器端的远程过程运行完毕后，将结果返回给与之关联的服务器存根；
    7. 该服务器存根获得控制权运行，将结果打包为消息，并将控制权转移给远程服务器进程；
    8. 远程服务器进程将消息发送回客户端；
    9. 本地客户进程接收到消息后，根据其中的过程名将消息存入关联的客户存根，再将控制权转移给客户存根；
    10. 客户存根从消息中取出结果，返回给本地调用者进程，并完成控制权的转移

消息传递通信的实现方式

• 直接消息传递系统

  • 直接通信原语

    1. 对称寻址方式。发送和接受进程都显示地提供发送命令(原语)：

    send(receiver,message);   // 发送一个消息给接受进程
    receive(sender,message);  // 接收 Sender 发送的消息
    

    2. 非对称寻址方式。接收进程可能需要与多个发送进程通信，无法指定发送进程。

    send(P,message);      // 发送一个消息给进程 P
    receive(id,message);  // 接受来自任何进程的消息，id 变量可设置为进行通信的发送进程 id 或名字。
    

    3. 消息的格式。在单机系统环境中，可采用比较短的定长消息格式；采用变长的消息格式方便了用户

    4. 进程的同步方式。不论是发送进程还是接收进程，在完成消息的发送或接收后，都存在两种可能性，即进程或者继续发送(或接收)或者阻塞

       a. 发送进程阻塞，接受进程阻塞，这种情况主要用于进程之间紧密同步，发送进程和接受进程无缓冲时

       b. 发送进程不阻塞，接受进程阻塞。这回应用最广的进程同步方式

       c. 发送进程和接受进程均不阻塞

    5. 通信链路。有两种方式建立通信链路。

       第一种方式是：由发送进程在通信之前用显式的“建立连接”命令(原语)请求系统为之建立一条通信链路，在链路使用完后拆除链路(计算机网络)。

       第二种方式是：发送进程无须明确提出建立的链路的请求，只利用系统提供的发送命令(原语)，系统自动建立一条链路(单机系统)。

       链路又分为两种：单向通信链路(只发或只收)、双向通信链路(both)

  • 信箱通信:间接通信方式

    1. 信箱的结构：信箱头、信箱体

    2. 信箱通信原语：邮箱的创建和撤销；消息的发送和接收。

       Send(mailbox, message);//将一个消息发送到指定邮箱
       Receive(mailbox, message);//从指定邮箱中接收一个消息
       

    3. 私用邮箱、公用邮箱、共享邮箱

直接消息传递系统实例

• 消息缓冲队列通信机制中的数据结构

  1. 消息缓冲区

  typedef  struct message_buffer {
  	int sender；	// 发送者进程标识符
  	int size；		// 消息长度
  	char *text；		// 消息正文
  	struct message_buffer *next； // 指向下一个消息缓区的指针
  }
  

  2. PCB 中有关通信的数据项

  typedef  struct  processcontrol_block{
  	…
      struct message_buffer *mq； // 消息队列队前指针
      semaphore mutex；	// 消息队列互斥信号量
      semaphore sm；	// 消息队列资源信号量
  	…
  }
  

• 发送原语

  void send(receiver，a) {//receiver为接收进程表示符，a为发送区首地址
  　　　　getbuf(a.size, i); //根据a.size申请缓冲区
  　　　　i.sender := a.sender;	
  　　　　i.size := a.size; 
  　　　　copy(i.text, a.text);//将发送区a中的信息复制到消息缓冲区i中
  　　　　i.next := 0; 
  　　　　getid(PCB set, receiver.j); //获得接受进程的标识符
  　　　　wait(j.mutex);
  　　　　insert(j.mq, i); //将消息缓冲区插入消息队列
  　　　　signal(j.mutex);
  　　　　signal(j.sm);
  　　}  
  

• 接收原语

  　void receive(b) {
  　　　　j := internal name; //j为接受进程内部的标识符
  　　　　wait(j.sm); 
  　　　　wait(j.mutex);
  　　　　remove(j.mq, i); //将消息队列中第一个消息移出
  　　　　signal(j.mutex);
  　　　　b.sender := i.sender; 
  　　　　b.size := i.size;
  　　　　copy(b.text, i.text);//将消息缓冲区i中的信息复制到接收区b
  　　　　releasebuf(i);//释放消息缓冲区
  　　}
  

  线程(Threads)的基本概念

  • 提高程序并发执行的程度，而引入

  线程的引入

  • 进程：使多个程序能并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量

  • 线程：减少程序在并发执行时所付出的时空开销。

    1. 进程的两个基本属性

       • 进程是一个可拥有资源的独立单位；
       • 进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。

    2. 程序并发执行所需付出的时空开销

       创建进程、撤销进程、进程切换都需要花费。

    3. 线程——作为调度和分配的基本单位

线程和进程的比较

• 调度的基本单位

  传统 OS 中，进程作为独立调度和分派的基本单位，因而进程是能独立运行的基本单位；

  引入线程的 OS 中，线程是调度和分派的基本单位，因而线程是能独立运行的基本单位。

• 并发性

  引入线程的 OS 中，进程之间可以并发执行，一个进程中的多个乃至全部线程也能并发执行，不同进程的线程也能并发执行。

• 拥有资源

  进程可以拥有资源，作为系统中拥有资源的一个基本单位。

  线程本身不具有系统资源，仅有一点能保证独立运行的资源。线程还允许多个线程共享该进程的资源。

• 独立性

  同一进程中的不同线程之间的独立性要比不同进程之间的独立性低得多。因为为防止进程之间彼此干扰，每个进程都有一个独立的地址空间和其他资源，除了贡献全局变量外，不允许其他进程访问。

  但是同一进程中的不同线程往往是为了提高并发性以及进行相互之间的合作而创建的，共享进程的内存地址和资源。

• 系统开销

  在创建或撤销进程时，系统都要为之分配和回收进程回收控制块、分配或回收其他资源。OS 为此所付出的开销明显大于线程创建或撤销所付出的开销。进程切换亦是如此。

• 支持多处理机系统

  在多处理机系统中，对于传统的进程(单线程进程)，该进程只能运行在一个处理机上。

  但对于多线程进程，就可以将一个进程中的多个线程分配到多个处理机上

线程的状态和线程控制块

• 线程运行的三个状态

执行状态、就绪状态、阻塞状态

• 线程控制块 TCB

线程标识符、一组寄存器、线程运行状态、优先级、线程专有存储区、信号屏蔽、堆栈指针。

• 多线程 OS 中的进程属性

进程是一个可拥有资源的基本单位。多个线程可并发执行。进程已不是可执行的实体

线程的实现方式

• 内核支持线程 KST(Kernel Supported Threads)

  在 OS 中的所有进程，无论是系统进程还是用户进程，都是在操作系统内核的支持下运行的。在内核空间为每一个内核线程设置了一个线程控制块，内核根据该控制块而感知某线程的存在，并对其加以控制。四个主要优点：

  1. 在多处理器系统中，内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行；

  2. 如果进程中的一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其它线程占有处理器运行，也可以运行其它进程中的线程；

  3. 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小；

  4. 内核本身也可以采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率

• 用户级线程 ULT(User Level Threads)

  用户级线程是在用户空间中实现的，无需内核的支持，即用户级线程是与内核无关的。优点：

  1. 线程切换不需要转换到内核空间。

  2. 调度算法可以是进程专用的。

  3. 用户级线程的实现与OS平台无关。

  缺点：

  1. 系统调用的阻塞问题。在基于进程机制的 OS 中，大多数系统调用将使进程阻塞。

  2. 多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点，内核每次分配给一个进程的仅有一个CPU，因此，进程中仅有一个线程能执行

• 组合方式

  1. 多对一：

     线程管理开销小，效率高

     如果一个线程在访问内核时候发生阻塞，则整个进程都会发生阻塞

  2. 一对一：

     提供了比多对一模型更好的并发功能

     每创建一个一个用户线程，相应的就需要创建一个内核线程，开销较大，需要限制整个系统的线程数

  3. 多对多模型

     结合上述两个模型优点，减少线程的管理开销和提高效率

线程的实现

• 内核支持线程的实现：

  1. 在仅设置了内核支持线程的 OS 中，一种可能的线程控制方法是，系统在创建一个新进程时，便为它分配一个任务数据区 PTDA(Per Task Data Area)，其中包括若干个线程控制块 TCB 空间。TCB 可保存线程标识符、优先级、线程运行的 CPU 状态等信息。

  2. 每当进程创建一个要线程，便为新线程分配一个 TCB，填入信息分配资源。当 PTDA 中的 TCB 已用完，又要创建新线程时，只要线程数目未超过系统允许的线程数目(数十—数百)，系统就可以再分配 TCB 空间；撤销进程时，也应回收所有资源和 TCB，有的系统为了减少创建开销，并不立即回收

• 用户级线程的实现

  1. 运行时系统(Runtime System)

     实质上是用于管理和控制线程的函数(过程)的集合，其中包括用于创建和撤消线程的函数、线程同步和通信的函数，以及实现线程调度的函数等。运行时系统中的所有函数都驻留在用户空间，并作为用户级线程与内核之间的接口。

  2. 内核控制线程

     又称为轻型进程 LWP(Light Weight Process)。每一个进程都可拥有多个 LWP，每个 LWP 都有自己的数据结构(如 TCB)。LWP 可通过系统调用来获得内核提供的服务，这样，当一个用户级线程运行时，只须将它连接到一 LWP 上，此时它便具有了内核支持线程的所有属性。这种线程实现方式就是组合方式。

  线程的创建和终止

  1. 线程的创建

     应用程序在启动时，通常仅有一个线程在执行——初始化线程。主要功能是用于创建新线程。

  2. 线程的终止

     终止线程通过调用相应的函数(或系统调用)对已完成线程或异常线程执行终止操作。

     有些线程(主要是系统线程)，它们一旦被建立起来之后，便一直运行下去而不被终止。

     在大多数的 OS 中，线程被中止后并不立即释放它所占有的资源，只有当进程中的其它线程执行了分离函数后，被终止的线程才与资源分离，此时的资源才能被其它线程利用