操作系統(tǒng)中進(jìn)程與線程的教學(xué)探討

仝瑞陽(yáng)

摘 要：本文闡述了進(jìn)程、線程概念，描述了進(jìn)程與線程的關(guān)系;通過(guò)我們熟悉的知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)景做類比，能深入淺出地理解操作系統(tǒng)中的進(jìn)程、線程概念及執(zhí)行過(guò)程;以門鑰匙為例生動(dòng)、形象地詮釋了進(jìn)程間的通訊、同步與互斥機(jī)制;闡述了進(jìn)程、線程的創(chuàng)建方法以及應(yīng)用特征。

關(guān)鍵詞：進(jìn)程;線程;并發(fā);共享;資源

0引言

操作系統(tǒng)是應(yīng)用程序（用戶）與計(jì)算機(jī)硬件的中間層，其管理計(jì)算機(jī)軟硬件、為用戶提供接口。操作系統(tǒng)的核心是進(jìn)程、線程的調(diào)度執(zhí)行;為了提高CPU的執(zhí)行效率引入多進(jìn)程、多線程機(jī)制，準(zhǔn)確理解進(jìn)程、線程是掌握操作系統(tǒng)原理的關(guān)鍵。

1進(jìn)程與線程

進(jìn)程：是有獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)程，是一個(gè)被操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立調(diào)度單位。由機(jī)器指令、數(shù)據(jù)、堆棧和控制等部分組成。進(jìn)程是程序執(zhí)行的過(guò)程;進(jìn)程有就緒、執(zhí)行、阻塞等幾種狀態(tài)。

線程：是CPU調(diào)度和分派的基本單位，它可與同屬一個(gè)進(jìn)程的其他的線程共享進(jìn)程所擁有的全部資源[1]。

進(jìn)程和線程的關(guān)系：線程是進(jìn)程的一部分，一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，但至少有一個(gè)線程。

進(jìn)程和線程的區(qū)別：進(jìn)程是操作系統(tǒng)資源（中央處理器、內(nèi)存、文件、網(wǎng)絡(luò)等）分配的基本單位;線程是任務(wù)調(diào)度和執(zhí)行的基本單位（占用CPU）。每個(gè)進(jìn)程都有獨(dú)立的代碼和數(shù)據(jù)空間，線程有獨(dú)立的運(yùn)行棧和程序計(jì)數(shù)器，因此進(jìn)程之間切換開(kāi)銷大，線程之間切換開(kāi)銷小，故線程又叫輕量級(jí)進(jìn)程。系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程分配不同的內(nèi)存空間;線程除CPU外不單獨(dú)分配內(nèi)存（使用其所屬進(jìn)程的資源，線程組共享）。

多進(jìn)程是多個(gè)進(jìn)程同時(shí)存在于內(nèi)存中形成并發(fā)執(zhí)行（不是同時(shí)執(zhí)行）。

為理解進(jìn)程、線程，現(xiàn)舉一我們熟悉的知識(shí)競(jìng)賽場(chǎng)景對(duì)照描述：舞臺(tái)上有n個(gè)隊(duì)，每隊(duì)有m個(gè)隊(duì)員進(jìn)行搶答，搶答器系統(tǒng)對(duì)應(yīng)CPU，一個(gè)隊(duì)對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程，一個(gè)人對(duì)應(yīng)一個(gè)線程。此時(shí)就相當(dāng)于有n個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程擁有m個(gè)線程。

一個(gè)隊(duì)占有一個(gè)搶答臺(tái)位相當(dāng)于一個(gè)進(jìn)程擁有的內(nèi)存空間，m個(gè)隊(duì)員共享。

某隊(duì)員搶答有效進(jìn)行發(fā)言相當(dāng)于線程擁有CPU執(zhí)行。

進(jìn)程調(diào)度：調(diào)度算法有先來(lái)先服務(wù)（FCFS）、輪轉(zhuǎn)（RR）、優(yōu)先級(jí)、多隊(duì)列、多級(jí)反饋隊(duì)列等。調(diào)度方式有搶占式、非搶占式。隊(duì)員爭(zhēng)搶過(guò)程相當(dāng)于非搶占式、先來(lái)先服務(wù)進(jìn)程調(diào)度方法。

2 進(jìn)程間通信與同步

虛擬內(nèi)存機(jī)制（程序運(yùn)行時(shí)以分頁(yè)、段方式把一部分部分調(diào)入內(nèi)存[2]）為進(jìn)程管理存儲(chǔ)資源帶來(lái)了種種好處，但是也給進(jìn)程帶來(lái)了一些麻煩，因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的虛擬內(nèi)存地址空間，所以對(duì)不同的進(jìn)程來(lái)說(shuō)一個(gè)相同的虛擬地址以為著不同的物理地址。CPU執(zhí)行指令是采用了虛擬地址，對(duì)于一個(gè)特定的變量來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的虛擬地址。因此兩個(gè)進(jìn)程不能通過(guò)簡(jiǎn)單的共享變量的方式來(lái)進(jìn)行通信，只能用信號(hào)、管道等方式通信，效率比直接共享內(nèi)存方式差。

進(jìn)程互斥與同步：多進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)用資源，若資源唯一（象獨(dú)木橋一次只許一人），就必須對(duì)資源使用進(jìn)行限制，爭(zhēng)用這一資源的進(jìn)程稱為是互斥關(guān)系，某段時(shí)間只能某個(gè)進(jìn)程占用資源。若某兩個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程執(zhí)行順序先后是確定的不能改變（如生產(chǎn)和消費(fèi)必須是先生產(chǎn)再消費(fèi)）稱這兩個(gè)進(jìn)程是同步關(guān)系。

互斥、同步通過(guò)信號(hào)量機(jī)制給以保障。信號(hào)量相當(dāng)于門鎖的鑰匙，互斥相當(dāng)于只有一把鑰匙，拿到鑰匙者開(kāi)鎖進(jìn)門，出來(lái)時(shí)交出鑰匙，只能一人進(jìn)門（實(shí)現(xiàn)原語(yǔ)操作）;同步的實(shí)現(xiàn)用兩層信號(hào)量，相當(dāng)于兩道門鎖，第一道門是先后次序（生產(chǎn)先執(zhí)行，消費(fèi)者看有產(chǎn)品再執(zhí)行）的控制，第二道門實(shí)現(xiàn)互斥。

3進(jìn)程、線程創(chuàng)建

進(jìn)程創(chuàng)建唯一方法是調(diào)用函數(shù)fork（），該調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)與原進(jìn)程代碼完全一樣的子進(jìn)程，原進(jìn)程稱為父進(jìn)程，新進(jìn)程稱為子進(jìn)程，父子進(jìn)程不同的是進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)（PID）以及它們的進(jìn)程控制塊（PCB）中的父子進(jìn)程標(biāo)識(shí)號(hào)記錄字段，通過(guò)下面代碼作一說(shuō)明：

If（fort（）==0）

Printf（“I am? son_process＼n”）;

else

Printf（“I am father_process＼n”）;

Sleep（1）;

執(zhí)行結(jié)果是I am? son_process

I am fathe_rprocess

或者： I am father_process

I am? son_proces

從結(jié)果看if與else中的代碼都完成一次執(zhí)行，說(shuō)明fort（）向父進(jìn)程返回了不為0的值（即進(jìn)程的ID）而向子進(jìn)程返回了0值。

線程創(chuàng)建：C語(yǔ)言利用Pthreads庫(kù)創(chuàng)建線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Pthreads運(yùn)行在用戶空間，內(nèi)核調(diào)度實(shí)體（KSE）運(yùn)行在內(nèi)核空間;Linux內(nèi)核提供clone系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建類似線程的輕量級(jí)進(jìn)程[3]。

Java中線程的實(shí)現(xiàn)：Java語(yǔ)言提供了java.lang.Thread類來(lái)表示線程，提供了run方法表示線程的運(yùn)行的邏輯控制流[4]。

4結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建并發(fā)程序可以基于進(jìn)程也可基于線程，現(xiàn)代多任務(wù)操作系統(tǒng)（如WINDOWS）采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的多線程方式，由于切換開(kāi)銷比進(jìn)程小，并發(fā)執(zhí)行效率高。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯小丹，梁紅兵，哲鳳屏，等. 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng).4版. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社， 2019 ，39-40

[2]白中英，戴志濤.計(jì)算機(jī)組成原理.6版.北京：科學(xué)出版社，2019，104-105

[3]邵國(guó)金等.Linux操作系統(tǒng).3版.電子工業(yè)出版社，2018，339

[4]軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)聯(lián)盟.Java開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn).清華大學(xué)出版社，2013，237-238