操作系统 第2章教学课件.pptx

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1、操作系统 第2章教学课件第第2 2章章 进程与线程进程与线程目录目录C C O O N N T T E E N N T T S S2.32.32.42.42.52.52.62.6进程的状态与转换进程的状态与转换进程控制进程控制进程的组织进程的组织线程线程2.12.12.22.2进程的引入进程的引入进程的定义及描述进程的定义及描述进程的引入2.1进程的释义进程的释义进程进程是计算机操作系统中最基本的概念之一。操作系统的基本任务是通过进程对资源进行管理。操作系统必须有效控制进程执行，给进程分配资源，允许进程之间共享和交换信息，保护每个进程在运行期间免受其他进程干扰，控制进程的互斥、同步和通信。进程

2、进程是资源分配的基本单位，往往也是独立运行的基本单位。本章主要介绍进程的引入、进程的定义、进程的状态及转换、进程控制及线程等内容。2.1.1 2.1.1 前趋图前趋图在在描描述述一一个个程程序序的的各各部部分分（程程序序段段或或语语句句）间间的的依依赖赖关关系系，或者一个大的计算任务的各个子任务间的因果关系时，常常采用前趋图的方式。前趋图是一个有向无循环图，用于描述程序、程序段或语句执行的先后次序，图中的每个节点可以表示一条语句、一个程序段或一个进程，节点间的有向边表示两个节点之间存在的前趋关系“”。=(Pi，Pj)Pi必须在Pj开始执行之前完成如果(Pi，Pj)，可以写成PiPj，则称Pi是

3、Pj的直接前驱，Pj是Pi的直接后继。若存在一个序列PiPjPk，则称Pi是Pk的前驱。在前趋图中，没有前驱的节点称为初始节点，没有后继的节点称为终止节点。图2-1给出了一个具有5个节点的前趋图示例，图中所描述的语句执行次序为：S1首先启动执行，当S1执行完成后才能启动S2及S3执行，S2及S3执行完成后才能启动S4执行，S2及S4执行完成后才能启动S5执行。2.1.2 2.1.2 程序的顺序执行程序的顺序执行人们利用计算机解题时，总要使用“程序”这一概念。程序的基本特性是它的顺序性，即一个程序通常由若干操作组成，这些操作必须按照某种先后次序执行，仅当前一个操作执行完成后才能执行后继操作，这类

4、计算过程就是程序的顺序执行过程。例如，系统中有n个作业，在执行每个作业时总是先输入程序和数据，然后进行计算，最后将所得的结果打印输出。若用Ii、Ci和Pi分别表示作业i的输入、计算及输出操作，则在顺序执行模式下这些操作的执行次序如图2-2所示。2.1.2 2.1.2 程序的顺序执行程序的顺序执行程序的顺序执行程序顺序执行时具有以下特征程序的顺序执行程序顺序执行时具有以下特征：顺序性顺序性。处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，只有当上一个操作完成后，下一个操作才能开始执行。除了人为的干预造成机器暂时停顿外，前一个动作的结束就意味着后一个动作的开始。封闭性封闭性。程序一旦开始运行，其执行结果

5、就不受外界因素影响。因为程序在运行时独占系统的全部资源，除初始状态外，这些资源的状态只能由本程序改变，并不受任何外界因素的影响。可再现性可再现性。只要程序执行时的初始条件和执行环境相同，则当程序重复执行时，都将获得相同的结果（程序的执行结果与时间无关）。2.1.3 2.1.3 程序的并发执行程序的并发执行如果在计算机系统中任何时刻都只能运行一道作业，则系统的处理能力无法提高，系统资源利用率低下。为了提高计算机系统的处理能力和资源利用率，现代计算机系统中普遍采用了多道程序设计技术，这样使得系统内的多道程序可以并发执行。在图2-2中，虽然同一作业的输入、计算和打印操作必须顺序执行，但对n个作业而言

6、，有些操作是可以并发执行的，如作业1的输入操作完成后即可进行该作业的计算操作；与此同时可以进行作业2的输入操作，即作业1的计算操作和作业2的输入操作可以并发执行。图2-3给出了一批作业并发执行时的情况。在图2-3中，I1先于C1和I2，C1先于P1和C2，P1先于P2；而I2与C1，I3、C2和P1则可以并发执行。程序的并发执行提高了资源利用率，从而提高了系统效率。2.1.3 2.1.3 程序的并发执行程序的并发执行程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完成同一项任务而相互合作，致使并发程序之间形成了相互制约关系。这种相互制约的关系导致并发执行程序具有“执行暂停执行执行”这种间断性的活动规律。

7、程序在并发执行时，多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去封闭性。这样一个程序在执行时，必然会受到其他程序的影响。例如，当处理机被某程序占用时，其他程序必须等待。程序并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致失去其运行结果的可再现性。例如，有两个程序A和B，它们共享一个变量N。程序A对变量N执行N=N+1的操作；程序B对变量N执行print（N）的操作。由于程序A和程序B都以各自独立的执行速度向前推进，故程序A的N=N+1操作既可以发生在程序B的print（N）操作之前，也可以发生在print（N）操作之后。程序的并发执行虽然提高了系统的处理能力和资源

8、利用率，但也带来了一些新问题，产生了一程序的并发执行虽然提高了系统的处理能力和资源利用率，但也带来了一些新问题，产生了一些与顺序执行时不同的特征。些与顺序执行时不同的特征。间断性间断性失去封闭性失去封闭性不可再现性不可再现性程序并发执行时具有结果不可再现的特征，这并不是用户希望看到的结果。为此，要求程序在并发执行时必须保持封闭性和可再现性，这是正确性的要求。于是我们需要寻找程序并发执行时具有可再现性的条件。1966年，Bernstein首先给出了程序并发执行的条件。为了描述方便起见，先定义一些表示方法。R(Pi)=a1，a2，am：表示程序段Pi在执行期间所需引用的所有变量的集合，称为读集。W

9、(Pi)=b1，b2，bn：表示程序段Pi在执行期间要改变的所有变量的集合，称为写集。若两个程序段P1和P2能满足下述3个条件，则它们就能并发执行并且其结果具有可再现性。因该条件由Bernstein提出，故又称Bernstein条件。（1）R(P1)W(P2)=。（2）R(P2)W(P1)=。（3）W(P1)W(P2)=。并发执行可再现性条件2.1.4 2.1.4 程序并发执行的条件程序并发执行的条件进程的定义及描述2.22.2.1 2.2.1 进程的定义进程的定义进程的概念是在20世纪60年代初期，首先由麻省理工学院的MULTICS系统和IBM公司的TSS/360系统引入的。自那之后，有许多

10、人对进程下过各式各样的定义，但迄今为止进程还没有统一的定义和名称，麻省理工学院称进程（process），IBM公司称任务（task），在本书中我们采用进程这一名称。下面给出几种比较容易理解又能反映进程实质的定义定义。进程是程序在处理机上的一次执行过程。进程是可以和其他计算并行执行的计算。进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。进程是一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。动态性动态性。进程是程序在处理机上的一次执行过程，因而是动态的。动态性还表现在它因创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，最后由撤销而消亡。并发性并发性。多个进程实

11、体同时存在于内存中，在一段时间内都得到运行。引入进程的目的就是使程序能与其他程序并发执行，以提高资源利用率。独立性独立性。进程是能独立运行的基本单位，也是系统进行资源分配和调度的独立单位。异步性异步性。系统中的各进程以独立、不可预知的速度向前推进。结构性结构性。为了描述和记录进程的运动变化过程，并使之能正确运行，应为每个进程配置一个进程控制块。这样，从结构上看，每个进程都由程序段、数据段和一个进程控制块组成。2.2.2 2.2.2 进程的特征进程的特征在多道程序系统中，多个进程并发执行使得进程具有以下几个基本特征。在多道程序系统中，多个进程并发执行使得进程具有以下几个基本特征。进程进程是动态的

12、，程序是静态的。进程是程序的一次执行过程，程序是一组代码的集合。进程进程是暂时的，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。进程进程与程序的组成不同。进程的组成包括程序、数据和进程控制块。进程进程与程序是密切相关的。通过多次执行，一个程序可以对应多个进程；通过调用关系，一个进程可以包括多个程序。进程进程可创建其他进程，而程序并不能形成新的程序。代码集合程序2.2.3 2.2.3 进程和程序的关系进程和程序的关系进程和程序是两个密切相关但又不同的概念，它们在以下几个方面存在区别和联系。进程和程序是两个密切相关但又不同的概念，它们在以下几个方面存在区别和联系。2.2.4 2.2.4

13、 进程控制块进程控制块进进程程控控制制块块（process control block，PCB）是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。为了准确地描述每个进程，并对进程进行有效的控制与管理，系统为每个进程创建了一个进程控制块。系统通过进程控制块感知进程的存在，通过进程控制块中各项变量的变化了解进程的运行状况，根据进程控制块中各项信息对进程进行调度、控制和管理。因此，当进程创建时，系统为它建立一个PCB：当进程在运行过程中状态发生变化时，系统将其运行信息记录在PCB中；当进程执行完毕时，系统回收其PCB。所以PCB是进程在其生命期间的管理档案。进程标识符进程标识符。它是唯一标识进程的一个标识符

14、或整数，以使该进程区别于系统内部的其他进程。在进程创建时，由系统为进程分配唯一的进程标识符。进程当前状态进程当前状态。说明进程的当前状态，以作为进程调度程序分配处理机的依据。进程队列指针进程队列指针。用于记录PCB队列中下一个PCB的地址。系统中的PCB可能组织成多个队列，如就绪队列、阻塞队列等。程序和数据地址程序和数据地址。指出进程的程序和数据在内存或外存中的存放地址。进程优先级进程优先级。反映进程获得CPU的优先级别，优先级高的进程可以优先获得处理机。CPUCPU现场保护区现场保护区。当进程因某种原因释放处理机时，CPU现场信息被保存在PCB的CPU现场保护中，以便在进程重新获得处理机后能

15、恢复执行。通常被保护的信息有通用寄存器、程序计数器、程序状态字等内容。通信信息通信信息。记录进程在执行过程中与其他进程所发生的信息交换情况。家族关系家族关系。有的系统允许进程创建子进程，从而形成一个进程家族树。在PCB中必须指明本进程与家族的关系，如它的子进程与父进程的标识。资源清单资源清单。列出进程所需资源及当前已分配资源。2.2.4 2.2.4 进程控制块进程控制块虽然不同操作系统中进程控制块的结构不同，但通常都包括以下内容。虽然不同操作系统中进程控制块的结构不同，但通常都包括以下内容。进程的状态与转换2.32.3.1 2.3.1 进程的基本状态进程的基本状态进程已获得了除处理机以外的所有

16、资源，一旦获得处理机就可以立即执行，此时进程所处的状态为就绪状态。处于就绪状态的进程已经具备了运行条件，但由于其他进程正占用处理机，它暂时不能运行而处于等待分配处理机的状态。在操作系统中处于就绪状态的进程可以有多个。执行状态又称运行状态。当一个进程获得必要的资源并正在处理机上执行时，该进程所处的状态为执行状态。处于执行状态的进程数目不能大于处理机数目，在单处理机系统中处于执行状态的进程最多只有一个。阻塞状态又称等待状态、睡眠状态。正在执行的进程，由于发生某事件而暂时无法执行下去（如等待输入/输出完成）时，进程所处的状态为阻塞状态。处于阻塞状态的进程尚不具备运行条件，这时即使处理机空闲，它也无法

17、使用。系统中处于这种状态的进程可以有多个。就绪状态就绪状态执行状态执行状态阻塞状态阻塞状态从图从图2 2-4 4中可以看出中可以看出，处于就绪状态的进程，当进程调度程序为之分配了处理机后，该进程便由就绪状态转变为执行状态；正在执行的进程因等待某事件发生时，如进程提出输入/输出请求并等待输入/输出操作完成，则进程由执行状态变为阻塞状态；处于阻塞状态的进程，当其等待的事件已经发生时，如输入/输出操作完成，则进程由阻塞状态转变为就绪状态；正在执行的进程，如果因时间片用完而暂停执行，则该进程便由执行状态转变为就绪状态。2.3.1 2.3.1 进程的基本状态进程的基本状态2.3.2 2.3.2 进程的创

18、建状态和退出状态进程的创建状态和退出状态在不少系统中，除了上述3种基本状态之外，又增加了两种状态，即创建状态和退出状态，如图2-5所示。创建状态创建状态。进程刚被创建，尚未被放入就绪队列，此时进程处于创建状态。退出状态退出状态。进程已结束运行，释放了除进程控制块之外的其他资源，此时进程退出状态。从图2-5中可以看出，当系统有足够的资源能够接纳新进程时，将处于创建状态的进程移入就绪队列；当一个进程执行完成或因失败而终止时，进入退出状态。对于任何一个进程来说，它只能处于创建状态和退出状态一次，但可以在执行状态、就绪状态和阻塞状态之间多次转换。2.3.3 2.3.3 进程的挂起状态进程的挂起状态系统

19、出故障或某些功能受到破坏时，就需要暂时将系统中的进程挂起，以便系统故障消除后，再将这些进程恢复到原来的状态。系统中有时负荷过重（进程数过多），资源数相对不足，从而造成系统效率下降。此时需要挂起一部分进程以调整系统负荷，等系统中负荷减轻后再恢复被挂起进程的运行。用户检查自己作业的中间执行情况和中间结果时，因与预期想法不符而产生怀疑，这时用户要求挂起其进程，以便进行某些检查和改正。在操作系统中引入了虚拟存储管理技术后，需要区分进程是驻留在内存还是外存时，可以用挂起表示驻留在外存。图图2 2-6 6给出了具有挂起状态的进程状态转换图给出了具有挂起状态的进程状态转换图。与图2-4相比，图26对就绪状态

20、和阻塞状态进行了细分，增加了两个新的状态：挂起就绪和挂起阻塞。为了便于区分，将原来的就绪状态称为活动就绪，将原来的阻塞状态称为活动阻塞。从图2-6中可以看出，如果一个进程原来处于执行状态或活动就绪状态，可因挂起命令而由原来状态变为挂起就绪状态，处于挂起就绪状态的进程不能参与争夺处理机，即进程调度程序不会把处于挂起就绪状态的进程挑选来运行；当处于挂起就绪状态的进程接到激活命令后，它就由原状态变为活动就绪状态；如果一个进程原来处于活动阻塞状态，它可因挂起命令而变为挂起阻塞状态，直到激活命令才能把它重新变为活动阻塞状态；处于挂起阻塞状态的进程，其所等待的事件发生后，该进程就由原来的挂起阻塞状态变为挂

21、起就绪状态。2.3.3 2.3.3 进程的挂起状态进程的挂起状态进程控制2.42.4.1 2.4.1 操作系统内核操作系统内核在现代操作系统设计中在现代操作系统设计中，往往把一些与硬件紧密相关的模块或运行频率较高的模块以及为许多模块所公用的一些基本操作安排在靠近硬件的软件层次中，并使它们常驻内存，以提高操作系统的运行效率，通常把这部分软件称为操作系统内核。操作系统内核操作系统内核是基于硬件的第一次软件扩充，它为系统控制和进程管理提供了良好的环境。操作系统内核的主要操作系统内核的主要功能包括功能包括中断、时钟管理、进程管理、存储器管理、设备管理等。操操作作系系统统使使用用原原语语对对进进程程进进

22、行行控控制制。原语被认为是机器语言的延伸，是完成特定任务的一段基本程序，它具有原子操作性。原子操作是不可分的操作，要么全做，要么全不做，它是通过中断屏蔽来实现的。一个进程可以创建若干新进程一个进程可以创建若干新进程，新创建的进程又可以创建子进程，为了描述进程之间的创建关系，引入了图2-7所示的进程图。进程图进程图又称为进程树或进程家族树进程图进程图又称为进程树或进程家族树，是描述进程家族关系的一棵有向树。图中的节点表示进程，若进程A创建了进程B，则从节点A有一条有向边指向节点B，说明进程A是进程B的父进程，进程B是进程A的子进程。创建父进程的进程称为祖父进程，从而形成了一棵进程家族树，把树的根

23、节点称为进程家族的祖先。例如，若进程A创建了子进程B、C，子进程B又创建了自己的子进程D、E，子进程C创建了子进程F，则构成了一棵图2-7所示的进程家族树，其中进程A是该家族的祖先。2.4.22.4.2 进程创建进程创建1)1)进程图进程图2.4.22.4.2 进程创建进程创建调度新作业调度新作业。在批处理系统中，提交给操作系统的作业通常存放在磁带或磁盘上。当作业调度程序选中某个作业时，便为该作业创建进程，分配必要的资源并插入就绪队列中。操作系统提供服务操作系统提供服务。当运行中的用户程序向操作系统提出某种请求时，操作系统也会创建进程来完成用户程序所需要的服务功能。用户登录用户登录。在交互式系

24、统中，当用户登录进入系统时，操作系统要建立新进程（如命令解释进程），负责接收并解释用户输入的命令。应用请求应用请求。前三种情况都是由操作系统根据需要为用户创建进程的，事实上应用程序也可以根据需要来创建一个新进程，使之与父进程并发执行，以完成特定的任务。2)2)进程创建原语进程创建原语创创建建进进程程的的方方式式有有两两种种：由系统程序模块统一创建和由父进程创建。它们都需要调用进程创建原语来实现。创建原语的主要工作是，首先扫描系统的PCB表，查询有无空的PCB表项，如有，则申请一个，并对其进程初始化，初始化的项目有进程标识符（PID）、进程状态和执行程序的起始地址；如果申请不成功，则创建失败。创

25、建进程系统程序起始地址2.4.22.4.2 进程创建进程创建2)2)进程创建原语进程创建原语2.4.32.4.3 进程撤销进程撤销进进程程正正常常结结束束。当一个进程完成其任务后，应该调用撤销原语来释放该进程所占用的各种资源和PCB结构本身，以利于有效地使用资源。进进程程异异常常结结束束。在进程运行期间，如果出现了错误或故障，则进程被迫结束运行。导致进程异常结束的事件较多，如运行超时、内存不足、越界错误、I/O故障、算术运算错误等。外外界界干干预预。进程因外界的干预而被迫结束运行。外界干预包括操作人员或操作系统的干预，如为了解除死锁，操作人员或操作系统要求撤销进程；父进程终止，当父进程终止时操

26、作系统会终止其子孙进程；父进程请求，父进程有权请求系统终止其子孙进程。根据撤销进程标识符根据撤销进程标识符，从相应队列中找到它的PCB。检查被撤销进程的状态是否为执行状态，若是，则立即停止该进程的执行，设置重新调度标志，以便在该进程撤销后将处理机分配给其他进程。检查被撤销进程是否有子孙进程，若有子孙进程还应撤销该进程的子孙进程。回收该进程占有的全部资源并回收其PCB。2.4.32.4.3 进程撤销进程撤销2.4.42.4.4 进程阻塞与唤醒进程阻塞与唤醒当当进进程程在在执执行行过过程程中中等等待待某某事事件件（如读写磁盘、接受其他进程的数据）的发生而暂停执行时，通过调用阻塞原语将自己阻塞起来，

27、并主动让出处理机。阻塞原语在执行时，必须先中断处理机并同时保存该进程的CPU现场，然后将阻塞进程插入等待队列中，再转由调度程序从就绪队列中选择一个进程投入运行。当当进进程程等等待待的的条条件件或或事事件件产产生生后后，等待该事件的所有进程都被唤醒。唤醒进程的方法有两种：系统进程唤醒和由事件发生进程唤醒。它们都需要调用唤醒原语来唤醒另一进程。唤醒原语首先将被唤醒进程从相应的等待队列取下，并将其状态设置为就绪态后，送入就绪队列。此时，唤醒原语既可以从调用程序处直接返回，也可以转向进程调度程序，让调度程序选择一个合适的进程去执行。2.4.42.4.4 进程阻塞与唤醒进程阻塞与唤醒请求系统服务请求系统

28、服务。当正在执行的进程向系统请求某种服务时，由于某种原因其要求无法立即满足，进程便暂停执行而变为阻塞状态。等待合作进程的协同配合等待合作进程的协同配合。相互合作的进程，有时需要等待合作进程提供新的数据或等待合作进程做出某种配合而暂停执行，此时进程暂停执行并变为阻塞状态。启动某种操作并等待操作完成启动某种操作并等待操作完成。如果进程执行时启动了某操作，且进程只有在该操作完成后才能继续执行，那么进程也将暂停执行并变为阻塞状态。系统进程无新工作可做系统进程无新工作可做。系统中往往设置了一些具有特定功能的系统进程，每当它们的任务完成后便将自己阻塞起来，以等待新任务的到来。引起进程阻塞和唤醒的事件大致有

29、以下几类。引起进程阻塞和唤醒的事件大致有以下几类。停止当前进程的执行停止当前进程的执行。进程阻塞时，由于该进程正处于执行状态，故应停止该进程的执行。保存该进程的CPU现场信息。为了使进程以后能够重新调度运行，应将该进程的现场信息送入其PCB现场保护区中保存起来。将进程状态改为阻塞，并插入相应事件的等待队列中。转到进程调度程序，从就绪队列中选择一个新的进程投入运行。唤醒原语的功能是将进程由阻塞状态转变为就绪状态，其主要操作过程如下。唤醒原语的功能是将进程由阻塞状态转变为就绪状态，其主要操作过程如下。将被唤醒进程从相应的等待队列中移出。将进程状态改为就绪，并将该进程插入就绪队列。在某些系统中，如果

30、被唤醒进程比当前运行进程的优先级更高，可能需要设置调度标志。2.4.42.4.4 进程阻塞与唤醒进程阻塞与唤醒阻塞原语的功能是将进程由执行状态转变为阻塞状态，其主要操作过程如下。阻塞原语的功能是将进程由执行状态转变为阻塞状态，其主要操作过程如下。2.4.52.4.5 进程的挂起与激活进程的挂起与激活当当用用户户或或创创建建者者需需要要了了解解进进程程的的活活动动情情况况或或干干预预进进程程活活动动时时，可以把某进程置于挂起就绪状态或挂起阻塞状态，这时要调用挂起原语。需要注意的是，调用挂起原语的进程只能挂起它自己或它的子孙进程。挂起原语的实现方式有多种：把发出挂起原语的进程自身挂起、挂起具有指定

31、标识符的进程、把某进程及其全部或部分子孙进程挂起。以进程标识符为索引，到PCB表中查找该进程的PCB。检查该进程的状态。若状态为执行，则停止执行该进程并保护CPU现场信息，将该进程状态改为挂起就绪。若状态为活动阻塞，则将该进程状态改为挂起阻塞。若状态为活动就绪，则将该进程状态改为挂起就绪。若进程挂起前为执行状态，则转进程调度，从就绪队列中选择一个进程投入运行。醒进程比当前运行进程的优先级更高，可能需要设置调度标志。2.4.52.4.5 进程的挂起与激活进程的挂起与激活以挂起具有指定标识符的进程为例，说明挂起原语的主要操作过程。以挂起具有指定标识符的进程为例，说明挂起原语的主要操作过程。以进程标

32、识符为索引，到PCB表中查找该进程的PCB。检查该进程的状态。若状态为挂起阻塞，则将该进程状态改为活动阻塞。若状态为挂起就绪，则将该进程状态改为活动就绪。若进程激活后为活动就绪状态，可能需要转进程调度。2.4.52.4.5 进程的挂起与激活进程的挂起与激活以激活具有指定标识符的进程为例，说明激活原语的主要操作过程。以激活具有指定标识符的进程为例，说明激活原语的主要操作过程。进程的组织2.5进程控制块（PCB）是保存进程的状态和控制进程转换的标识，也是进程存在的唯一标识。创建进程时产生PCB，撤销进程时回收PCB。进程的组织主要是指对PCB的组织方式。进程的组织方式通常有3种：线性方式、链接方式

33、和索引方式。线性方式线性方式：将PCB顺序地存放在一片连续内存中，如图2-8所示。链接方式链接方式：将进程按状态组织成若干链表，同一状态的PCB组成一个链表，如图2-9所示。2.52.5 进程的组织进程的组织索引方式：索引方式：将同一状态的进程归入一个索引表，再由索引指向相应的PCB，如图210所示。2.52.5 进程的组织进程的组织线 程2.6在在传传统统操操作作系系统统的的单单线线程程进进程程中中，进程和线程的概念可以不加区别。如果说在操作系统中引入进程的目的是使多个程序并发执行，以改善资源利用率及提高系统吞吐量，那么，在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序并发执行时所付出的时空开销，使

34、操作系统具有更好的并发性。2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念图图2 2-1111给给出出了了单单线线程程进进程程的的内内存存布布局局，它由进程控制块和用户地址空间，以及管理进程执行的调用/返回行为的系统堆栈或用户堆栈构成。进程的结构可以划分为两个部分：对资源的管理和实际的指令执行序列。并发进程之间的切换和通信均要借助于操作系统的进程管理和进程通信机制，因而实现代价较大，而较大的进程切换和进程通信代价，又进一步影响了并发的粒度。2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念1)1)线程的引入线程的引入多多线线程程进进程程的的内内存存布布局局如如图图2 2-1212所所示示，在多线程环境中，仍

35、然与进程相关的内容是PCB和用户地址空间，而每个线程除了有独立堆栈，以及包含现场信息和其他状态信息外，还要设置线程控制块（thread control block，TCB）。线程间的关系较为密切，一个进程中的所有线程共享其所属进程拥有的资源，它们驻留在相同的地址空间，可以存取相同的数据。例如，当一个线程改变了主存中的一个数据项时，如果这时其他线程也存取这个数据项，它便能看到相同的结果。2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念1)1)线程的引入线程的引入2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念线程的定义情况与进程类似，存在多种不同的定义方法。线程是进程内的一个执行单元。线程是进程内的一个可调

36、度实体。线程是程序（或进程）中相对独立的一个控制流序列。线程是执行的上下文，其含义是执行的现场数据和其他调度所需的信息（这种观点来自Linux系统）。2 2）线程的定义）线程的定义2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念3)3)线程的实现线程的实现控制机制控制机制在操作系统中有多种方式可实现对线程的支持，最自然的方法是由操作系统内核提供线程的控制机制。内核级线程内核级线程内核级线程是指依赖于内核，由操作系统内核完成创建、撤销和切换的线程。用户级线程用户级线程用户级线程是指不依赖于操作系统核心，由应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制的线程。线程线程线程可分为内核级线程和

37、用户级线程。2.6.12.6.1 线程的概念线程的概念多多对对一一模模型型。将多个用户级线程映射到一个内核级线程。线程管理在用户空间完成，因此它的效率比较高。但是，如果一个线程调用了导致阻塞的系统调用，那么将阻塞整个进程。而且，因为一次只有一个线程可以访问内核，所以在多处理机环境中多个线程不能并发执行。一一对对一一模模型型。将每个用户线程映射到一个内核线程。它允许在一个线程调用导致阻塞的系统调用的情况下持续运行其他线程，从而提供了比多对一模型更好的并发性；它也允许多个线程在多处理机环境中并行执行。多多对对多多模模型型。将用户级线程多路复用到与之数量相等或少一些的内核级线程。内核级线程的数量由具

38、体的应用程序或具体的机器确定。可以很好地将内核级线程和用户级线程的优点结合起来。由此产生了不同的多线程模型。可以很好地将内核级线程和用户级线程的优点结合起来。由此产生了不同的多线程模型。2.6.22.6.2 线程与进程的比较线程与进程的比较调度调度在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程。拥有资源拥有资源不论是传统操作系统还是设有线程的操作系统，进程都是拥有资源的基本单位，而线程几乎不拥有系统资源，但线程可以访问其隶属进程的系统资源。并发性并发性在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且同一进程内的多个线程之间也可以并发执行，从而使操作系统具有更好的并发性，大大提高了系统的吞吐量。系统开销系统开销由于创建进程或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O设备等，操作系统所需的开销远大于创建或撤销线程时的开销。习题习题1 1）选择题）选择题2 2）填空题）填空题3 3）解答题）解答题感感 谢谢 观观 看看