操作系统 1：进程与线程

进程（Process）是由一份代码段，一个当前状态和一组相关系统资源所刻画的活动单元，是程序在操作系统上运行的实体。在操作系统的帮助下，每个进程都产生了「我独占整个硬件，我独享所有内存」的假象，从而能更好地利用系统资源。

htop 工具可以直观地显示 *nix 系统下的进程和资源情况：

说明：Linux 不区分进程和线程，二者视为同一种东西称为 task，由调度器统一调度。进程和线程的区别体现在创建时对内存空间的处理上。

线程（Thread，又译「执行绪」）是一个进程之下的相对独立的可调度的执行单元。一个进程之下的所有线程可以并发执行，共享进程的资源。例如，在 Java 中，我们利用 Runnable 接口可以轻松地创建多个线程，不同线程共享着 Java 虚拟机下的资源，由 Java 虚拟机进行调度。

进程的描述

一个进程由下面几部分「描述」，或者说组成：

进程控制块（PCB）

进程控制块（Process Control Block, PCB）是一个结构体，用来描述进程与其他系统资源的关系。它包含进程的标识符（PID），进程相关用户的标识符（UID），进程的状态，资源（如文件描述符），处理器信息（寄存器的值，称为「栈帧」）等。

在 xv6 中，PCB 就是 kernel/proc.h 中的 proc 结构体；在 Linux 中，PCB 就是 include/linux/sched.h 中的 task_struct 结构体（Linux 将进程称为 task）。

上下文

进程的上下文，包含进程的物理实体（代码段、数据段）和支持它运行的环境。具体地：

进程的代码段、数据段、堆栈等组成用户级上下文。
进程标识、现场、控制信息、内核栈组成系统级上下文。
处理器中寄存器的值构成硬件上下文。

地址空间

几乎所有的现代操作系统都使用虚拟内存技术。在 Linux 平台下，每个用户进程都具有独立的私有地址空间。虚拟内存让每个进程「独享」一大段假想的内存，再由操作系统利用「页表」及硬件上的「内存管理单元」（Memory Management Unit, MMU）将每个进程实际使用的内存「映射」到真实的内存上（下图来自 IBM Linux 开发文档）：

进程的特性

动态性——因创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，最后因完成或撤销而消亡。
并发性——引入进程的目的就是为了使多个程序并发执行。
独立性——进程是一个能独立运行的基本单位，也是系统进行资源分配和调度的基本单位。
异步性——进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。
结构性——进程 = 程序 + 数据 + PCB

进程的状态、转换与控制

进程的状态

就绪态：已经获取了必要的除 CPU 之外的资源，等待获得 CPU 来执行。
运行态：进程已经获取到 CPU，正在 CPU 上执行。
阻塞态：进程正在等待某一事件而放弃 CPU，暂停运行。
新建：至少已经建立 PCB，但资源还没有调入主存。
终止：进程已经终止，等待回收。

进程的创建和回收

使用系统调用 fork() 创建子进程。子进程拥有父进程的所有资源。
- 「调用一次返回两次」：在父子进程中各返回一次。
- 在子进程中返回 0，在父进程中返回子进程的 PID。
使用系统调用 wait() 或者 waitpid() 主动回收子进程。
- wait() 等待某一个子进程结束。
  函数原型为 pid_t wait(int *status)，返回值是此次结束的子进程的 PID，并将子进程的退出状态写到 *status 指针所在处。
  可以使用宏 WIFEXITED(status) 来从 status 中读出进程是否是正常退出的。
  可以使用宏 WEXITSTATUS(status) 来从 status 中读出进程的退出码。
- waitpid() 等待一个特定的进程结束。
  函数原型为 pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options)。
  options 一般指定为 0。它可以是下面参数的位或：
  - WNOHANG：如果没有可以退出的子进程，就立即返回。
  - WUNTRACED：当一个进程不被 ptrace 追踪但结束时也返回。
  - WCOUNTINUED：当一个停止的进程被信号 SIGCONT 恢复时返回。

进程间通信

共享内存系统
消息传递系统
管道
套接字
远程过程调用

线程的描述

与进程类似，线程可以用「线程控制块」（TCB）+ 堆栈 + 寄存器进行描述。在引入了线程的概念之后，我们有：

进程 = 线程 + 代码段、数据段、内核上下文，由 PCB 控制
线程 = 寄存器 + 栈，由 TCB 控制

线程和进程的关系有：

线程是基本的 CPU 执行单元。
线程不单独拥有系统资源，只拥有其在运行中必不可少的资源。
一个进程可以关联多个线程。
每个线程有自己的控制流。
属于同一个进程的线程共享所属进程的地址空间。
每个线程有自己局部变量的堆栈。

POSIX 线程模型

POSIX 线程模型 POSIX Threads 简称 pthreads，是几乎所有 *nix 平台上都使用的多线程模型。

线程的创建

使用 pthread_create() 函数。原型：

int pthread_create(pthread_t *restrict thread,
                   const pthread_attr_t *restrict attr,
                   void *(*start_routine)(void *),
                   void *restrict arg);

线程的终止

当线程所属进程返回时，线程会隐式地终止。

如果需要显式地终止线程，使用 pthread_exit() 函数。原型：

noreturn void pthread_exit(void *retval);

线程的结合和分离

所谓线程的结合类似进程的 wait()，使用 pthread_join() 函数阻塞当前线程，直到指定的线程终止。

线程的分离指的是，将一个指定的线程标记为 detached。当一个 detached 的线程终止时，它的资源会被系统自动回收，而无须其他进程来结合。使用 pthread_detach() 函数完成这个操作。

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