进程与线程听课笔记，进程很多用自己的线程系统话写的，有大白话和场景化有助于理解的操作例子，有讲解有配图，王道比较通俗易懂和全面。听课学操作系统的笔记小伙伴可一起来学习呀
1 进程状态的转换
当进程创建态完成后，就有了上cpu运行条件，复述此时进程就进去了就绪态
处于就绪态的进程进程其实已经具备运行条件，但唯一就差处理机(没有空闲的线程系统cpu)其他都有了，就暂时不能运行
若处于就绪态的操作进程被操作系统调度，那么这个进程则可以上处理机运行，王道当在处理机上运行时就是听课运行进程的运行态；处于运行态的进程拥有处理机的资源，其他资源也有
而有时正在运行的笔记进程可能会请求等待某些事件的发生，在这个事件发生前，复述进程无法继续执行，进程这时进程不能占着处理机资源，此时进程被剥夺处理机资源，变为阻塞态。处于阻塞态的进程既没有处理机资源，也没有其他资源，处于阻塞态的进程在等待某种事件发生，若它等待的事件发生了，进程就可由阻塞态回到就绪态
2 运行态→阻塞态是进程自身做出的主动行为；阻塞态→就绪态不是进程自身能控制的是一种被动行为
3 （一）进程的三种基本状态
（1）运行态：占有cpu，在cpu上运行
（2）就绪态：具备运行条件，但由于没有空闲cpu，而暂时不能运行
（3）阻塞态（等待态）：因等待某一事件而暂时不能运行
（二）进程的另外两种状态
（1）创建态（新建态）：进程正在被创建，os为进程分配资源，初始化pcb
（2）终止态（结束态）：进程正在从系统中撤销，os会回收进程拥有的资源，撤销pcb
4 【等待态≠就绪态】 名称别混
阻塞态又叫等待态≠就绪态
5 进程控制就是要实现进程状态的转换，那么怎么实现进程控制呢？
要通过原语实现，而原语的执行具有“原子性”，要一气呵成不能中断，故进程控制（状态转换）的过程也要“一气呵成”。那么为什么要一气呵成呢？
情景eg：假设pcb中的变量state表示进程当前所处状态，如1表示就绪态，2表示阻塞态
[若一个进程处于就绪态，state=1，该进程的pcb要挂在就绪队列里；而若进程的state=2，则该进程的pcb要挂在阻塞队列里]
处于阻塞队列的这些进程是在等待某些事件的发生。假设此时进程2（记作pcb2）等待的事件已经发生了，那么该进程要从阻塞态转换为就绪态，操作系统中的程序(即[负责进程控制的内核程序])要将该进程的状态转换(阻塞态→就绪态)，在进程转换的这个过程中os中负责进程控制的内核程序至少要做这样2件事：①将pcb2的state(即state2)设为1 ②将pcb2从阻塞队列放到就绪队列中。
假如上述①完成后(即state1设为1后)收到中断信号，不能执行②，这时pcb2的state已变成了1(表示变成了就绪态)，但由于中断没执行②，pcb2仍位于阻塞队列中.这样导致了pcb中的状态信息与pcb所处队列对应不起来（即：os中某些关键数据结构信息不统一），这会影响os进行别的管理工作
故进程控制过程（即进程的状态转换）的过程要一气呵成不能中断[依托于原语实现不能中断]
6 如何实现原语的“原子性”
【问】 那么为什么原语这种特殊的内核程序具有一气呵成不被中断的性质（原子性）呢？
【答】可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性
讲解如下文字和图片.
我们从第一章可知，cpu每执行完一条指令，都会检查是否有中断信号需要处理，若某条指令执行完检查到了有中断信号，则cpu会暂停执行当前程序转而执行处理中断的程序，等中断程序完成后才会返回执行被中断的程序。
【问】那么如果【执行关中断指令】会怎样？
【答】CPU执行了关中断指令后，就不再照常每个指令完检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查
·关中断指令和开中断指令不能用户使用，只能内核程序使用
7 创建原语让一个程序从创建态→就绪态，将其放入了就绪队列中
8 进程控制块PCB
（1）pcb是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，os为其创建pcb，当进程结束时，会回收其pcb
（2）os对进程进行管理工作所需的信息都存在于pcb中
（3）pcb中包括了进程描述信息（进程标识符PID，用户标识符UID），进程控制和管理信息（CPU 磁盘 网络流量的使用情况统计，进程当前状态），资源分配清单（正在使用哪些文件，正在使用哪些内存区域，正在使用哪些IO设备），处理机相关信息（如PSW PC等各种寄存器的值(用于实现进程切换)）
（4）进程的管理者（操作系统）所需的数据都在PCB中
9 进程的组成 [严格说是:进程实体(进程映像)的组成]+进程的概念
进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的；进程实体是不断变化的；进程实体反映了进程在某一时刻的状态（如x++后，x=2）
当引入进程实体的概念后，可以把进程定义为：
进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
（其实一般题目没特殊说明，也不用太过在意进程与进程实体的区别）
（1）PCB
（2）程序段：程序的代码（指令序列）
（3）数据段：运行过程中产生的各种数据（如：程序中定义的变量）
·PCB是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的
10 程序是如何运行的
（1）程序在运行前需要编译成二进制的机器指令，程序执行的过程其实就是CPU执行一条条的被编译器编译好的二进制机器指令的过程（一条高级语言的代码翻译过来可能对应多条机器指令） 下面细化一下程序的运行过程
平时程序存在硬盘中的是可执行文件（**.exe）（其实就是一条条指令序列），程序运行前，要将程序从硬盘放入内存中，并且os会为其建立一个与其对应的进程（即创相应的PCB） 内存中除了创建相应的PCB外，上面说的一系列指令序列也要读到内存中（这些指令序列的集合就叫程序段） 程序运行的过程就是CPU从内存中取出存放的一条条指令执行的过程。而程序运行中可能产生其他数据，这些数据被存在内存中，就是数据段（如定义了哪些变量的信息就是放在数据段里的）
（2）进一步的细节
程序运行中会需要一些数据，CPU中会设置很多寄存器，来存放程序(一条条指令)运行过程中所需的某些数据（如PSW：程序状态字寄存器，PC：程序计数器，存放下一条指令的地址，IR：指令寄存器存放当前正在执行的指令，通用寄存器：存放其他重要信息）（注意上面括号中的寄存器不是一个进程独属的，若CPU中有多个进程运行，那么前面扩号中的寄存器也会被其他进程使用）[指令顺序执行的过程中，很多中间结果是放在各种寄存器中的]
11 进程的特征（理解不用死记硬背）
进程是动态的，程序是静态的，相比与程序，进程有以下特征
（1）动态性【进程最基本的特征】：进程是程序的一次执行过程，是动态产生，变化和消亡的
（2）并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
（3）独立性：进程是能独立运行，独立获得资源，独立接受调度的基本单位（在引入了线程后，进程就不再是接受调度的基本单位了，但依然是获得资源的基本单位）
（4）异步性：各进程按各自独立的，不可预知的速度向前推进，os要提供“进程同步机制”来解决异步问题（异步性会导致并发程序执行结果的不确定性，后面“进程同步”一节会讲到）
（5）结构性：每个进程都会配置一个PCB.从结构上看，进程由程序段，数据段，PCB组成
12 进程控制原语要做的事情
进程控制会导致进程状态的转换，无论哪个进程控制原语，要做的无非就3类事情
（1）更新PCB中的信息
a.所有进程控制原语一定都会修改进程状态标志
b.剥夺当前运行进程的CPU使用权必然要保存其运行环境
c.某进程开始运行前必然要恢复其运行环境
（2）将PCB插入合适的队列
（3）分配/回收资源
【更新信息；插入队列；分配/回收资源】
13 进程通信
（一）什么是进程通信
顾名思义，进程通信就是指进程间的信息交换。
进程是分配资源。的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。为保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。但进程之间的信息交换又是必须要实现的，为了保证进程间的安全通信，os提供了一些进程通信的方法：共享存储，消息传递，管道通信。
（二）进程通信的三种实现方式
（1）共享存储：基于数据结构的共享，基于存储区的共享
·两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现），os只负责提供共享空间和同步互斥工具（如P V操作）
·基于数据结构的共享:比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
·基于存储区的共享:在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。
（2）管道通信
“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件.其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。
1.管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
2.各进程对管道的访问要互斥进行（互斥这点与进程访问共享空间一样）
如当进程1往管道内写数据时，进程2是不能访问管道的；只有进程1释放管道后，进程2才能从管道里读数据。那么管道中的数据通信是如何实现的呢？
3.管道中数据通信的实现：进程1的数据以字符流的形式不断写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞（进程1不能再向管道内写数据），等待读进程将数据全部取走后才能继续向管道里写数据。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
[注意]①如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写
②管道中的数据一旦被读出，就会从管道中被抛弃（找不回来了），这就意味着一个管道的读进程最多只能有一个，否则可能读错数据
（3）消息传递：直接通信和间接通信
1.进程间的数据交换以格式化消息为单位，通过os提供的“发送消息/接收消息”两个原语实现。一个格式化的消息分为消息头和消息体。消息头包括：发送进程ID、接受进程ID、消息类型、消息长度等格式化的信息（计算机网络中发送的“报文”其实就是一种格式化的消息）
2.直接通信方式过程：直接通信方式中，消息直接挂在接受进程的消息缓冲队列上。每个进程都有个消息缓冲队列，若有另一个进程想给其发送消息时（假如进程1想给进程2发送消息） 进程1先创建好格式化的消息，该消息会通过发送原语发送给进程2，依次挂入进程2的消息缓冲队列，然后进程2会通过接受原语将队列中的消息依次取走处理
3. 间接通信方式过程与直接类似，但消息要先发送到中间实体（信箱）中（故又称“信箱通信方式”） eg:计网中的电子邮件系统
14 线程
（1）引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
引入线程前，一个程序只对应一份代码，这些指令只能顺次往下执行；引入线程后，每个进程可以有多个线程，这些线程可以有各自不同的代码，也可以不同的线程运行同一份代码，不管哪样这些可以被PCU并发处理
（2）线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）
（3）引入线程后，进程不再是CPU调度的基本单位，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。线程则作为处理机的分配单元。
（可将线程理解为“轻量级进程”）
（4）引入线程机制后的变化
①资源分配，调度方面：传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位；引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线城是调度的基本单位
②并发性：传统进程机制中，只能进程间并发；引入线程后，各线程间也能并发，提升了并发量
③系统开销：传统进程机制中，需要切换进程的运行环境，系统开销很；引入线程后，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销减小
（5）线程的属性
①线程是处理机调度的基本单位
②多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
③每个线程都有一个线程ID，线程控制块（TCB）（有点类似PCB）
④线程也有就绪，阻塞，运行三种基本状态
⑤线程几乎不拥有系统资源（因为引入线程后，线程只是处理机调度的基本单位，而系统资源分配是分配给进程的）
⑥同一进程的不同线程间共享进程的资源（上一条说线程几乎不拥有系统资源，那它需要的话资源从哪来呢，就是同一进程的不同线程间共 享进程的资源）
⑦由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预（通过共享的内存就能线程间通信）
⑧同一进程中的线程切换，不会引起进程切换；不同进程中的线程切换，会引起进程切换
⑨切换同进程内的线程，系统开销很小；切换进程，系统开销较大
15 线程的实现方式
线程的实现方式有2种：用户级线程和内核级线程
（1）用户级线程（早期os）
①线程的管理工作由谁来完成？用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）
②线程切换是否需要CPU变态？用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预（不需请求操作系统的服务）
③os能否意识到用户级线程的存在？在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。“用户级线程”就是“从用户视角看能看到的线程”
④优缺点
优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统
开销小，效率高
缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可
在多核处理机上并行运行。
（2）内核级线程（现在用）
大多现代os都实现了内核级线程（Windows，Linux）
①线程的管理工作由谁来完成？内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。
②线程切换是否需要CPU变态？线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要CPU在核心态(CPU要变态：用户态→内核态/核心态(注意用完CPU还要切换回用户态))下才能完成。
③os能否意识到用户级线程的存在？操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB（ThreadControlBlock，线程控制块），通过TCB对线程进行管理。“内核级线程”就是“从操作系统内核视角看能看到的线程”
④优缺点
优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
16 多线程模型
上面提到的2种线程实现方式（用户级线程，内核级线程）各有优缺点，能不能想着把两者的优点结合起来呢？可以，引入多线程模型。在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型
（1）一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程，每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
①优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行（因为内核级线程是处理机分配的基本单位），并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
②缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
（2）多对一模型：多个用户级线程映射到一个内核级线程，且一个进程只被分配一个内核级线程(其实这样就退化到了上面15中提到过的纯粹的用户级线程的实现方式)
[考试中若提到多对一的多线程模型，默认就是一个进程只被分到了一个内核级线程]
①优点：用户级线程的切换在用户空间就能完成，不需要CPU从用户态切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
②缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并发运行（因为只有内核级线程才是处理机分配的单位，而这些用户级线程都映射到了一个内核级线程中去了）
【重点VIP】操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
（3）多对多模型：n用户及线程映射到m个内核级线程(n>=m),每个用户进程对应,个内核级线程。
客服了多对一模型并发度不高(一个阻塞全体阻塞)的缺点（如下图因为有2个内核级线程，故若一个内核级线程被阻塞，另一个内核级线程可以继续运行下去），又克服了一对一模型中一个用户进程占太多内核级线程，开销太大的缺点(集二者之长)
[注]再来理解下用户级线程和内核级线程的区别
a.用户级线程：从用户视角能看到的线程，由线程库实现。用户级线程可理解为“代码逻辑”的载体（如下图中的用户级线程从左到右分别承载的是视频聊天，文字聊天，文件传输的代码逻辑）
b.内核级线程：从os视角看到的线程，由os实现(内核级线程才是处理机分配的单位)。内核级线程可理解为“运行机会”的载体，因为os在分配处理机CPU资源时，是以内核级线程为单位进行分配的(还是牢记那句话：内核级线程才是处理机分配的单位)
·一段“代码逻辑”只有获得了“运行机会”才能被CPU执行。内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，如下图当2个内核级线程中正在运行的代码逻辑都阻塞时，这个进程才会阻塞（即：一个进程可能对应多个内核级线程，而只有所有的内核级进程都被阻塞时，才说此进程进入了阻塞态）
