第五十八讲——什么是进程、线程

现在的操作系统都是由内核，和运行在内核之上的众多进程来实现。<o:p></o:p>
启动起来的程序其实位于内存当中。简单基于物理内存来管理同时运行多个程序是非常不方便的，任何一个程序的BUG都有可能覆盖其他程序的数据，所以，为了避免这一情况出现，引入了内存地址的概念。内存地址由虚拟内存（线性内存）和物理内存的概念。<o:p></o:p>
进程是逻辑上的概念。<o:p></o:p>
内核在内部维护有一个数据结构（task structure任务结构）。<o:p></o:p>
每一个进程的结构：<o:p></o:p>
PPID：副进程号<o:p></o:p>
PID：进程号<o:p></o:p>
NAME：名称<o:p></o:p>
使用了多少内存页<o:p></o:p>
内核会为每个进程保存它的数据结构，这个数据结构中保存了进程的终端信息，内核通过这个数据结构判断下一进程是谁，从哪儿开始（状态信息）。<o:p></o:p>
对计算机来讲，只有CPU和内存。<o:p></o:p>
CPU上一次只能执行一个程序，CPU划分时间片，内存划分为时间片，内存划分为页面，分配给多个程序。<o:p></o:p>
CPU中有缓存、寄存器，会将终端程序的信息载入，当装在过程完成表示线程已经恢复，这是恢复现场的过程，终端断为保留现场。<o:p></o:p>
在80286CPU以后就引入了线性地址空间（虚拟地址），以32位为例（最大支持4G内存空间2^32）<o:p></o:p>
CPU将除内核外的内存划分为许许多多的页面，这些页面为固定大小的存储单元，假设为4K。<o:p></o:p>
当一个程序运行需要使用10K的时候，则需要向内核申请10K的内存空间，即三个4K页面（页框），这三个页框在物理上很有可能不是连续的，但是在程序自身看起来寺连续的，并且只有程序本身和内核运行在内存上。内存页面的信息保存在数据结构中，除了内核占用的空间，其余的空间都是这个进程所有，且这些空间都是连续的，但实际上这个程序是按需占用的。<o:p></o:p>
这些页面的数据是存储在物理内存上的，有内核负责管理哪个页面上存了些什么数据，于是为了分清楚这些数据之间的关系，内核需要维护一张表，这个表中定义了每一个页面的数据和存储的具体页框的对应关系。每一个进程的进程地址空间由这样的几段组成：<o:p></o:p>
<table class="MsoTableGrid" border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" style="border-collapse:collapse;border:none;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;mso-yfti-tbllook:1184;mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> <tbody><tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> user stack 栈，通常用于存储本地变量（函数中的变量）<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> 栈和共享库的可变空间<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> 共享库，映射的是库页面的数据（对进程占用空间的有两种计算结果，一个是将共享库算进去，一个不。）<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> runtime 堆内存（需要不停的动态申请内存空间），常用于载入文件<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> uninitialised（拼写可能有误） data（.bss）没能初始化的数据<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> program text（text）文本段（指令）只读段<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
 <tr> <td width="553" valign="top" style="width:414.8pt;border:solid windowtext 1.0pt;border-top:none;mso-border-top-alt:solid windowtext .5pt;mso-border-alt:solid windowtext .5pt;padding:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt;"> forbidden 不允许进程使用，内核的腾挪空间。<o:p></o:p>
 </td>
 </tr>
</tbody>
</table>
VSZ：虚拟内存级，在逻辑上占用的大小（算上共享库的内存占用）<o:p></o:p>
RSS：常驻内存级（resident size）位于物理内存且不能被交换出去的。指令、变量等核心数据是不能被交换的。<o:p></o:p>
在多核心的CPU上，我们可以让所有的进程平均分配到每个核心上，以提高工作效率。如果一个复杂的过程能够同时运行在多个核心上，那么执行的效率就会提高很多。<o:p></o:p>
一般而言，一个进程只有一个执行流，从上而下是不动的，一步一步执行。<o:p></o:p>
但是在某些并行编程模型下，可以实现将一个进程内部划分为多个小的执行实体，每个执行实体都有自己的指令加数据，这样就分成多个执行流了。根据功能的不同，这些执行流彼此之间是不能够互相交叉的，是比进程更小的单位，都可以被CPU单独执行，这个小单位我们称之为线程。<o:p></o:p>
线程：thread<o:p></o:p>
线程比进程更加节省空间，有些资源是可以共享的。<o:p></o:p>
一是多进程模型<o:p></o:p>
二是多线程模型：在内部生成线程，单进程多线程模型。<o:p></o:p>
进程的状态：<o:p></o:p>
stoped，停止，不在被CPU调度，事假外力才能运行<o:p></o:p>
read，就绪，在等待队列中<o:p></o:p>
executing，正在运行中。<o:p></o:p>
正在运行中需要其它内容转入睡眠状态：<o:p></o:p>
   sleep：uninterruptible，不可中断的睡眠<o:p></o:p>
    sleep：interruptible，可中断的睡眠<o:p></o:p>
为什么会睡眠？<o:p></o:p>
当进程在执行的过程中突然需要打开一个文件，产生一个I/O请求，将硬盘中的数据载入内存，这个过程是需要消耗时间的，而对于CPU来讲就是浪费时间，I/O速度比CPU和内存慢得多，这时候进程会转入睡眠状态，让出CPU的使用权。<o:p></o:p>
uninterrupible：不可中断的睡眠<o:p></o:p>
当一个进程在CPU上运行时，因打开一个文件或者一个I/O操作而进入睡眠，并且在文件没有完全载入内存中时，就算再次唤醒该进程，也不会有执行动作，这类进程我们称为不可中断的睡眠。<o:p></o:p>
interrupible：可中断的睡眠<o:p></o:p>
一个进程执行完命令后，进入睡眠，等待下一次的唤醒，他不是等待外部I/O而睡眠的，这类进程我们称为可中断的睡眠，事实上用户的请求也是I/O，但是在此处不坐严格的区分。<o:p></o:p>
zombie僵尸进程（僵死态）<o:p></o:p>
指正常运行了，并且也结束了，但是其占用的内存空间就是不释放。<o:p></o:p>
一个进程在CPU上运行结束后，内存应当会被释放，内核也会将逾期对应的那张维护的表删除（task structure）

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