OS學習筆記二： 程式執行緒模型

一、程式基本概念

1、併發環境與併發程式

• 併發環境：一段時間 間隔 內，單處理器上有兩個或兩個以上的程式 同時 處於開始執行但尚未結束的狀態 ，並且 次序不是事先確定的
• 併發程式：在併發環境中執行的程式

2、程式的定義

定義：Process（對CPU 的抽象） 程式是具有獨立功能的程式關於 某個資料集合上 的一次執行活動 ，是系統進行 資源分配和 排程 的獨立單位又稱 任務（Task or Job ）

• 程式的一次執行過程

• 是正在執行程式的抽象

• 將一個 CPU 變幻成多個虛擬的 CPU

• 系統資源以程式為單位分配，如記憶體、檔案、 ……每個具有獨立的地址空間

• 作業系統將 CPU 排程

3、程式控制塊 PCB

• PCB ：Process Control Block

  • 又稱 程式描述符、程式屬性

  • 作業系統用於管理控制程式的一個專門資料結構

  • 記錄程式的各種屬性，描述程式的動態變化過程

• PCB 是系統感知程式存在的唯一標誌

  • 程式與PCB 是一一對應的

• 程式 表：所有程式的PCB

4、程式描述資訊

• 程式識別符號(process ID)，唯一，通常是一個整數

• 程式名，通常基於可執行檔名，不唯一

• 使用者識別符號(user ID)

• 程式組關係

5、程式控制資訊

• 當前狀態

• 優先順序(priority)

• 程式碼執行入口地址

• 程式的磁碟地址

• 執行統計資訊(執行時間、頁面排程)

• 程式間同步和通訊

• 程式的佇列指標

• 程式的訊息佇列指標

6、所擁有的資源和使用情況

• 虛擬地址空間的狀況

• 開啟檔案列表

7、CPU 現場資訊

• 暫存器值(通用暫存器、程式計數器PC、程式狀態字PSW、棧指標)

• 指向該程式頁表的指標

二、程式狀態及狀態轉換

1、七狀態程式模型

2、程式佇列

• 作業系統為每一類程式建立一個或多個佇列

• 佇列元素為PCB

• 伴隨程式狀態的改變，其PCB 從一個佇列進入另一個佇列

多個等待佇列等待的事件不同

就緒佇列也可以多個

單CPU 情況下，執行佇列中只有一個程式

三、程式控制

1、程式控制

程式控制操作完成程式各狀態之間的轉換，由具有特定功能的 原語 完成

• 程式建立原語

• 程式撤消原語

• 阻塞原語

• 喚醒原語

• 掛起原語

• 啟用原語

• 改變程式優先順序

• ……

原語（primitive）完成某種特定功能的一段程式，具有不可分割性或不可中斷性
即 原語的執行必須是連續的，在執行過程中不允許被中斷

2、程式的建立

• 給新程式分配一個唯一標識以及程式控制塊

• 為程式分配地址空間

• 初始化程式控制塊

  設定預設值 ( 如: 狀態為 New ，…)

• 設定相應的佇列指標

  如: 把新程式加到就緒佇列連結串列中

UNIX：fork/exec

WINDOWS：CreateProcess

3、程式的撤銷

結束程式

• 收回程式所佔有的資源

• 關閉開啟的檔案、斷開網路連線、 回收 分配的記憶體、……

• 撤消該程式的PCB

UNIX：exit

WINDOWS：TerminateProcess

4、程式阻塞

處於執行狀態的程式，在其執行過程中期待某一事件發生，如 等待鍵盤輸入、等待磁碟資料傳輸完成、等待其它程式傳送訊息 ，當被等待的事件未發生時，由 程式自己執行阻塞原語 ，使自己由執行態變為阻塞態。

UNIX：wait

WINDOWS：WaitForSingleObject

5、UNIX的幾個程式控制操作

• fork() 通過 複製呼叫程式 來建立新的程式，是最基本的程式建立過程

• exec() 包括一系列系統呼叫，它們都是通過用一段新的程式程式碼覆蓋原來的地址空間，實現程式 執行程式碼的轉換

• wait() 提供初級程式同步 操作 ，能使一個程式等待另外一個程式的結束

• exit() 用來終止一個程式的執行

6、UNIX的fork實現

• 為子程式分配一個空閒 的程式 描述符

  proc 結構

• 分配給子程式唯一標識 pid

• 以一次一頁的方式複製父程式地址空間（Linux 採用了寫時
  複製技術COW 加快建立程式Copy-On-Write，即建立時將父程式把地址空間的指標傳遞給子程式，再把地址空間設定為只讀，當子程式想往地址空間寫東西的時候，作業系統再為子程式開闢一塊空間把相應的內容放進去）

• 從父程式處繼承共享資源，如開啟的檔案和當前工作目錄 等

• 將子程式的狀態設為就緒，插入到就緒佇列

• 對子程式返回識別符號 0

• 向父程式返回子程式的 pid

示意程式碼：

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
void main( int argc, char *argv[] )
{
    pid_t pid;
    pid = fork();           /*  建立一個子程式 */
    if ( pid < 0 )          /*  出錯 */
    {
        fprintf( stderr, “ fork failed ” );
        exit( -1 );
    }else if ( pid == 0 )   /*  子 程式 */
    {
        execlp( “ / bin / ls ”, “ ls ”, NULL );
    }else                                 { /*  父程式 */
        wait( NULL );   /*  父 程式等待子程式結束 */
        printf( “ child complete ” );
        exit( 0 );
    }
}

四、深入理解程式概念

1、程式層次結構

UNIX 程式 家族 樹 ：init 為根

Windows：地位相同

2、程式與程式的區別

• 程式更 能準確刻畫併發，而程式不能

• 程式 是靜態的，程式是動態的

• 程式有 生命週期的， 有誕生有消亡 ，是短暫 的；而程式是相對長久的

• 一個程式可對應多個程式

• 程式具有建立其他程式的 功能

3、程式的地址空間

作業系統給每個程式都分配了一個地址空間

int myval;
int main( int argc, char *argv[] )
{
    myval = atoi( argv[1] );
    while ( 1 )
        printf( “ myval is % d, loc 0x % lx \ n ”,
            myval, (long) &myval );
}

同時 執行兩個 Myval 程式，會輸出什麼？

輸出的地址是相對地址 或者說是邏輯地址或者虛擬地址，所以才會出現變數不同，但地址相同的情況（因為兩次執行是在不同的程式中的）。

4、上下文（CONTEXT）切換

• 將CPU 硬體狀態從一個程式換到另一個程式的過程稱為 上下文 切換

• 程式 執行時 ，其硬體狀態儲存在CPU 上 的暫存器中

  • 暫存器：程式計數器、程式狀態暫存器、棧指標、通用暫存器、其他控制暫存器的值

• 程式不執行時，這些暫存器的值儲存在程式控制塊

  • PCB 中； 當作業系統要 執行一個新的程式時，將PCB 中 的相關值 送到對應的暫存器 中

五、執行緒的引入

1、執行緒的開銷小

• 建立 一個新執行緒花費時間少（撤銷亦如此）

• 兩 個 執行緒切換 花費時間少

• 執行緒 之間相互通訊無須呼叫核心（同一程式內的執行緒共享記憶體和檔案）

2、執行緒的屬性

• 有標示符ID

• 有狀態及狀態轉換 → 需要提供一些操作

• 不執行時需要儲存的上下文

  有上下文環境：程式計數器等暫存器

• 有自己的棧和棧指標 √

• 共享所在程式的地址空間和其他資源

• 可以建立、撤消另一個執行緒

  • 程式開始是以一個單執行緒程式方式執行的

六、執行緒的實現機制

1、使用者級執行緒

• 在使用者空間建立 執行緒庫：提供一組管理執行緒的過程
• 執行時系統：完成執行緒的 管理工作（操作、執行緒表）
• 核心管理的還是程式，不知道 執行緒的存在
• 執行緒 切換不 需要核心態特權
• 例子：UNIX

使用者級執行緒小結：

• 優點：

  • 執行緒切換快
  • 排程演算法是應用程式特定的
  • 使用者級執行緒可執行在任何作業系統上（只需要實現執行緒庫）
• 缺點：
  
  • 核心只將處理器分配給程式，同一程式中的兩個執行緒不能同時執行於兩個處理器上
  • 大多數系統呼叫是阻塞的，因此，由於核心阻塞程式，故程式中所有執行緒也被阻塞

2、 核心級執行緒

• 核心管理所有執行緒管理，並嚮應用程式提供API介面
• 核心維護程式和執行緒的上下文
• 執行緒的切換需要核心支援
• 以執行緒為基礎進行排程
• 例子：Windows

3、混合模型

• 執行緒建立在使用者空間完成
• 執行緒排程等在核心態完成
• 例子：Solaris

4、可再入程式（可重入）

可被多個程式同時呼叫的程式，具有下列性質：
1、它是純程式碼的，即在執行過程中自身不改變；
2、呼叫它的程式應該提供資料區

本文整理自：《作業系統原理》北京大學_陳向群 講義

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作者：jiankunking 出處：http://blog.csdn.net/jiankunking