背景

操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的7個(gè)主題：
1. 進(jìn)程描述和控制
2. 內(nèi)存管理
3. 調(diào)度
4. I/O和文件管理
5. 并發(fā)和分布式系統(tǒng)
6. 嵌入式系統(tǒng)
7. 安全

創(chuàng)新互聯(lián)建站是專(zhuān)業(yè)的南山網(wǎng)站建設(shè)公司，南山接單;提供網(wǎng)站建設(shè)、做網(wǎng)站,網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì),網(wǎng)站設(shè)計(jì),建網(wǎng)站,PHP網(wǎng)站建設(shè)等專(zhuān)業(yè)做網(wǎng)站服務(wù);采用PHP框架,可快速的進(jìn)行南山網(wǎng)站開(kāi)發(fā)網(wǎng)頁(yè)制作和功能擴(kuò)展;專(zhuān)業(yè)做搜索引擎喜愛(ài)的網(wǎng)站,專(zhuān)業(yè)的做網(wǎng)站團(tuán)隊(duì),希望更多企業(yè)前來(lái)合作!

操作系統(tǒng)利用一個(gè)或多個(gè)處理器的硬件資源，為系統(tǒng)用戶提供一組服務(wù)，還代表用戶來(lái)管理輔助存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備。

CPU中斷的分類(lèi)：
1. 程序中斷
2. 時(shí)鐘中斷
3. I/O中斷
4. 硬件失效中斷

DMA：直接內(nèi)存存取

概述

典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的三個(gè)重要接口：
1. 指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)ISA
2. 應(yīng)用程序二進(jìn)制接口ABI
3. 應(yīng)用程序編程接口API

進(jìn)程

三個(gè)部分：
1. 一段可執(zhí)行的程序，
2. 程序所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)（變量，工作空間，緩沖區(qū)等），
3. 程序的執(zhí)行上下文，又稱(chēng)進(jìn)程狀態(tài)。上下文包括操作系統(tǒng)管理進(jìn)程和處理器正確執(zhí)行進(jìn)程所需要的所有信息，包括：

1. 處理器寄存器的內(nèi)容，2. 進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)

多線程技術(shù)

把執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用程序的進(jìn)程劃分成可以同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)線程。
線程：
可分派的工作單元，他包括處理器上下文環(huán)境和棧中自己的數(shù)據(jù)區(qū)域。順序執(zhí)行，并且可中斷。
進(jìn)程：
一個(gè)或多個(gè)線程和 相關(guān)系統(tǒng)資源的集合。

多線程切換涉及的處理器開(kāi)銷(xiāo)比不同進(jìn)程間切換開(kāi)銷(xiāo)少。

微軟

81年基于MS-DOS開(kāi)發(fā)的window 3.0, 雇傭戴夫.卡特勒89年基于VAX/VMS操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)NT內(nèi)核。

UNix

主要的內(nèi)核組件的簡(jiǎn)要介紹：

• 信號(hào)（Signal）：內(nèi)核通過(guò)信號(hào)通知進(jìn)程。

• 系統(tǒng)調(diào)用（System Call）：進(jìn)程通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)。一共有幾百個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，可以粗略的分為6類(lèi)：文件系統(tǒng)，進(jìn)程，調(diào)度，進(jìn)程間通信，套接字和其他。

• 進(jìn)程和調(diào)度器：創(chuàng)建、管理、調(diào)度進(jìn)程。

• 虛擬內(nèi)存

• 文件系統(tǒng)

• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

• 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)

• 陷阱和錯(cuò)誤

• 物理內(nèi)存

• 中斷

Linux Vserver

chroot提供文件系統(tǒng)隔離。
chcontext分配一個(gè)新的安全上下文，提供進(jìn)程隔離
chbind把產(chǎn)生的進(jìn)程及其子進(jìn)程鎖定到一個(gè)特定的IP地址，提供網(wǎng)絡(luò)隔離。
capability，提供根的隔離。

進(jìn)程

進(jìn)程可以唯一的表征為以下元素：

• 標(biāo)識(shí)符

• 狀態(tài)

• 優(yōu)先級(jí)

• 程序計(jì)數(shù)器

• 內(nèi)存指針

• 上下文數(shù)據(jù)

• I/O狀態(tài)信息

• 記賬信息
  一個(gè)處理器在任何時(shí)間最多只有一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行。

進(jìn)程的五個(gè)狀態(tài)：
- 新建，環(huán)境準(zhǔn)備，但未進(jìn)入內(nèi)存
- 就緒
- 運(yùn)行
- 阻塞/等待，I/O阻塞，等待資源或另一個(gè)進(jìn)程信息
- 退出
- 針對(duì)虛擬內(nèi)存的：掛起態(tài)

操作系統(tǒng)維護(hù)四種不同類(lèi)型的表：

• 內(nèi)存 ：跟蹤內(nèi)外存

• I/O： I/O狀態(tài)

• 文件：文件狀態(tài)，大部分狀態(tài)可能由文件管理系統(tǒng)維護(hù)和使用

• 進(jìn)程：

Unix的進(jìn)程狀態(tài)

• 用戶態(tài)運(yùn)行

• 內(nèi)核態(tài)運(yùn)行

• 就緒，駐留在內(nèi)存

• 睡眠，駐留在內(nèi)存，等待某時(shí)間，一種阻塞態(tài)

• 就緒，被交換

• 睡眠，被交換

• 被搶占 進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài)，但是被內(nèi)核搶占

• 創(chuàng)建

• 僵死

Unix中有兩個(gè)獨(dú)特進(jìn)程，進(jìn)程0是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是交換進(jìn)程，啟動(dòng)時(shí)進(jìn)程0產(chǎn)生進(jìn)程1，進(jìn)程1稱(chēng)為初始進(jìn)程。
Unix中創(chuàng)建進(jìn)程是通過(guò)內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用fork()實(shí)現(xiàn)的，fork請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行以下功能：
1. 為新進(jìn)程在進(jìn)程表中分配一個(gè)空項(xiàng)。
2. 為紫禁城賦一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符
3. 聲場(chǎng)一個(gè)父進(jìn)程上下文的邏輯副本，不包括共享內(nèi)存區(qū)
4. 增加父進(jìn)程所有的文件的計(jì)數(shù)器
5. 把子進(jìn)程置為就緒態(tài)
6. 向父進(jìn)程返回子進(jìn)程的進(jìn)程號(hào)，對(duì)子進(jìn)程返回零。

所有操作在父進(jìn)程的內(nèi)核態(tài)下完成。

線程

在之前提出的進(jìn)程概念包含兩個(gè)特點(diǎn)：

• 資源所有權(quán)：一個(gè)進(jìn)程包括一個(gè)存放進(jìn)程映像的虛擬地址空間。

• 調(diào)度/執(zhí)行：一個(gè)進(jìn)程沿著可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)程序的執(zhí)行路徑執(zhí)行。一個(gè)進(jìn)程具有一個(gè)執(zhí)行狀態(tài)和一個(gè)被分配的優(yōu)先級(jí)。它是一個(gè)可被操作系統(tǒng)調(diào)度和分派的實(shí)體。
  為了區(qū)分這兩個(gè)特點(diǎn)，分派的單位成為線程或輕量級(jí)進(jìn)程，而擁有資源所有權(quán)的單位稱(chēng)為進(jìn)程process或task。

多線程

指在單個(gè)進(jìn)程內(nèi)支持多個(gè)并發(fā)執(zhí)行路徑的能力。
進(jìn)程是操作系統(tǒng)的最小調(diào)度單位，線程是CPU的最小調(diào)度單位。

線程的優(yōu)點(diǎn)：

• 線程創(chuàng)建比Unix中進(jìn)程創(chuàng)建快10倍。

• 終止線程比進(jìn)程快

• 線程切換比進(jìn)程塊

• 縣城提高了不同執(zhí)行程序間通信的效率。進(jìn)程間通信需要內(nèi)核的介入，同進(jìn)程中的線程共享內(nèi)存和文件。

多線程的特性在多處理器機(jī)器上才能生效，單處理器中主要簡(jiǎn)化在邏輯上完成若干項(xiàng)不同功能的程序的結(jié)構(gòu)。

線程的分類(lèi)

線程可以分為兩大類(lèi)：
1. 用戶級(jí)線程
2. 內(nèi)核級(jí)縣城

用戶級(jí)線程

有關(guān)線程管理都有應(yīng)用程序完成，內(nèi)核意識(shí)不到。任何應(yīng)用程序都可以使用線程庫(kù)pthread設(shè)計(jì)多線程程序。該程序在執(zhí)行時(shí)從但縣城開(kāi)始運(yùn)行被分配給一內(nèi)核管理的進(jìn)程。該程序的線程狀態(tài)受限于內(nèi)核進(jìn)程狀態(tài)。由此其線程狀態(tài)也將影響進(jìn)程狀態(tài)。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 該程序所有線程在用戶地址空間中，無(wú)需內(nèi)核態(tài)特權(quán)，不需切換狀態(tài)。
2. 自定義調(diào)度算法
3. 跨系統(tǒng)，可移植
缺點(diǎn)：
1. 線程阻塞導(dǎo)致進(jìn)程阻塞
2. 無(wú)法使用多核性能，內(nèi)核一次只把一個(gè)進(jìn)程分配給一個(gè)處理器

內(nèi)核級(jí)線程

所有線程管理都有內(nèi)核完成。
優(yōu)點(diǎn)：
1. 同時(shí)調(diào)度線程到多核處理器
2. 進(jìn)程中一個(gè)線程堵塞時(shí)，內(nèi)核可以調(diào)度該進(jìn)程中另外一個(gè)線程
缺點(diǎn)：
1. 把控制從一個(gè)線程傳到同一個(gè)進(jìn)程的另外一個(gè)線程時(shí)，需要內(nèi)核的狀態(tài)切換。

多核與多線程

多處理器系統(tǒng)中使用線程的例子：

• 前臺(tái)和后臺(tái)工作：電子表格處理，一個(gè)線程顯示并讀取輸入，一個(gè)線程執(zhí)行命令更新表格。

• 異步處理：

• 執(zhí)行速度：在一個(gè)線程I/O被阻塞時(shí)，另外一個(gè)線程可以繼續(xù)運(yùn)行。

Linux的進(jìn)程和線程管理

Linux的進(jìn)程或任務(wù)有一個(gè)task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。包含了以下信息：

• 狀態(tài)

• 調(diào)度信息

• 標(biāo)識(shí)符

• 進(jìn)程間通信

• 鏈接

• 時(shí)間和計(jì)時(shí)器

• 文件系統(tǒng)

• 地址空間

• 處理器專(zhuān)用上下文

進(jìn)程的執(zhí)行狀態(tài)有：

• 運(yùn)行

• 可中斷，阻塞狀態(tài)，此狀態(tài)等待一個(gè)事件（如I/O操作的結(jié)束），一個(gè)可用資源或另一個(gè)進(jìn)程的信號(hào)

• 不可中斷，阻塞狀態(tài)，此狀態(tài)等待一個(gè)硬件條件，不接受任何信號(hào)

• 停止

• 僵死

Linux中復(fù)制當(dāng)前進(jìn)程的屬性創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。使用clone命令代替fork命令創(chuàng)建進(jìn)程。沒(méi)有為線程單獨(dú)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程共享相同的虛擬內(nèi)存時(shí)，它們可以當(dāng)作是一個(gè)進(jìn)程中的線程。clone()調(diào)用為每個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建獨(dú)立的?？臻g，共享同一內(nèi)存空間。
當(dāng)Linux內(nèi)核執(zhí)行進(jìn)程切換時(shí)，它將檢查當(dāng)前進(jìn)程的頁(yè)目錄地址是否和將被調(diào)度的進(jìn)程相同，如果相同，此時(shí)上下文切換僅僅是從代碼的一處跳到代碼的另外一處。

總結(jié)

某些操作系統(tǒng)區(qū)分進(jìn)程和線程的概念，前者涉及資源的所有權(quán)，后者涉及程序執(zhí)行。
用戶級(jí)的線程對(duì)操作系統(tǒng)是未知的，它們?cè)谟脩艨臻g的線程庫(kù)創(chuàng)建并管理，此時(shí)線程的切換不需要狀態(tài)轉(zhuǎn)換，非常高效，但一個(gè)進(jìn)程一次只有一個(gè)用戶級(jí)線程可以執(zhí)行，如果某一個(gè)線程阻塞，整個(gè)進(jìn)程都被阻塞。
內(nèi)核級(jí)線程由內(nèi)核維護(hù)，由此同一個(gè)進(jìn)程中的線程可以在多個(gè)處理器上并發(fā)執(zhí)行，不會(huì)被某一個(gè)線程阻塞而阻塞整個(gè)進(jìn)程，但當(dāng)線程切換時(shí)需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。