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1. 進程

1.1 進程的定義

• 進程是程序運行的一次執行過程。

• 進程是一個程序及其數據在處理機上順序執行所發生的活動。
• 進程是具有獨立功能的程序在一個數據集合上運行的過程，它是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。

為了使參與并發執行的程序（含數據）能獨立的運行，必須為之配置一個專門的數據結構，稱為進程控制塊（Process Control Block，PCB）。系統利用PCB來描述進程的基本情況和運行狀態，進而控制和管理進程。相應地，由程序段、相關數據段和PCB三部分過程了進程映像（進程實體）。所謂創建進程，實質上是創建進程映像中的PCB；而撤銷進程實質上是撤銷進程的PCB。值得注意的是，進程映像是靜態的，進程則是動態的。

PCB是進程存在的唯一標識！

引入進程實體的概念后，我們可以把傳統操作系統中的進程定義為：
進程是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。

1.2 進程狀態轉換

• 運行狀態：進程正在處理機上運行。但處理機環境下，每一時刻最多只有一個進程處于運行狀態。

• 就緒狀態：進程已處于準備運行狀態，即進程獲得了除了處理機之外的一切所需資源，一旦得到處理機即可運行。
• 阻塞狀態：又稱為等待狀態。進程正在等待某一事件而暫停運行，如等待某資源為可用（不包括處理機）或等待輸入/輸出完成。即使處理器空閑，該進程也不能運行。
• 創建狀態：進程正在被創建，尚未轉入到就緒狀態。進程創建需要多個步驟：首先申請一個空白的PCB，并向PCB中填寫一些控制和管理進程的信息；然后由系統為該進程分配運行時所必需的資源；最后把該進程轉入就緒狀態。
• 結束狀態：進程正從系統中消失，這可能是進程正常結束或其他原因中斷退出運行。當進程需要結束運行時，系統首先必須置該進程為結束狀態，然后進一步處理資源釋放和回收等工作。

進程狀態轉換.jpg

• 就緒→運行：處于就緒狀態的進程被調度后，獲得處理機資源（分派處理機時間片），于是進程由就緒狀態轉運行狀態。
• 運行→就緒：處于運行狀態的進程在時間片用完后，不得不讓出處理機，從而進程由運行狀態轉換為就緒。此外，在可剝奪的操作系統中，當有更高級的進程就緒時，調度程度將正執行的進程轉換為就緒狀態，讓更高優先級的進程執行。
• 運行→阻塞：當進程請求某一資源（如外設）的使用和分配或等待某一事件的發生（如I/O操作的完成）時，它就從運行狀態轉換為阻塞狀態。進程以系統調用的形式請求操作系統提供服務，這是一種特殊、由用戶態程序調用操作系統內核過程的形式。
• 阻塞→就緒：當進程等待的時間到來時，如I/O操作結束或中斷結束時，終端處理程序必須把相應的進程狀態由阻塞狀態轉為就緒狀態。

2. 線程

引入進程的目的，是為了使多道程序并發執行，以提高資源利用率和系統吞吐量；而引入線程，則是為了減少程序在并發執行時所付出的時空開銷，提高操作系統的并發性能。

線程就是"輕量級進程"，它是一個基本的CPU執行單元，也是程序執行流的最小單元，由線程ID、程序計數器、寄存器集合和堆棧組成。線程自己不擁有系統資源，只擁有在運行中必不可少的資源，但與其他線程共享進程所擁有的全部資源。

線程也有 就緒、阻塞、運行 三種基本狀態。

引入線程后，進程的內涵發送了改變：進程只作為除CPU以外系統資源
的分配單元，線程則作為處理機分配單元。

3. 進程與線程比較

3.1 調度

在傳統操作系統中，用于資源和獨立調度的基本單位都是進程。在引入線程的操作系統中，線程是獨立調度的基本單位，進程是資源擁有的基本單位。統一進程中，線程的切換不會引起進程切換。在不同進程中的線程切換，如從一個進程內的線程切換到另一個進程的線程時，會引起進程切換。

3.2 資源

不論是傳統操作系統還是設有線程的操作系統，進程都是擁有資源的基本單位，而線程不擁有系統資源（也有一點必不可少的資源），但線程可以訪問其隸屬進程的系統資源。

3.3 并發性

在引入線程的操作系統中，不僅進程之間可以并發執行，而且多個線程之間也可以并發執行，從而使操作系統具有更好的并發性，提高系統的吞吐量。

3.4 系統開銷

由于創建或撤銷進程時，系統都要為之分配或回收資源，如內存空間、I/O設備等，因此操作系統所付出的開銷遠大于創建或撤銷線程時的開銷。

類似的，在進行進程切換時，涉及當前執行進程CPU環境的保存以及新調度到進程CPU環境的設置，而線程切換只需保存和設置少量寄存器內容，開銷很小。

此外，由于同一個進程內的多個線程共享進程的地址空間，因此，這些線程之間的同步與通信非常容易實現，甚至無需操作系統的干預。

3.5 地址空間和其他資源（如打開文件）

進程的地址空間之間相互獨立，同一進程的各線程間共享進程的資源，某進程內的線程對于其他進程不可見。

3.6 通信

進程間通信（IPC）需要進程同步和互斥手段輔助，以保證數據的一致性，而線程間可以直接讀寫進程數據段（如全局變量）來進行通信。