进程线程的概念

提起程序这个概念，大家再也熟悉不过了，程序与进程概念是不可分的。

程序是为了完成某项任务编排的语句序列，它告诉计算机如何执行，因此程序是需要运行的。

程序运行过程中需要占有计算机的各种资源才能运行下去。

如果任一时刻，系统中只有一道程序，即单道程序系统，程序则在整个运行过程中独占计算机全部资源，整个程序运行的过程就非常简单了，管理起来也非常容易。

就象整个一套房子住了一个人，他想看电视就看电视，想去卫生间就去卫生间，没人和他抢占资源。

但为了提高资源利用率和系统处理能力，现代计算机系统都是多道程序系统，即多道程序并发执行。

程序的并发执行带来了一些新的问题，如资源的共享与竞争，它会改变程序的执行速度。

就象多个人同时住一套房子，当你想去卫生间的时候，如果此时卫生间里有人，你就得等待，影响了你的生活节奏。

如果程序执行速度不当，就会导致程序的执行结果失去封闭性和可再现性，这是我们不希望看到的。

因此应该采取措施来制约、控制各并发程序段的执行速度。

由于程序是静态的，我们看到的程序是存储在存储介质上的，它无法反映出程序执行过程中的动态特性，而且程序在执行过程中是不断申请资源，程序作为共享资源的基本单位是不合适的，所以需要引入一个概念，它能描述程序的执行过程而且可以作为共享资源的基本单位，这个概念就是进程。

进程的生命周期进程和人一样是有生命的，从诞生到死亡要经历若干个阶段。

一般说来进程有三种状态：就绪、执行、等待。

由多种原因可以导致创建一个进程，例如一个程序从外存调入内存开始执行，操作系统就要为其创建进程，当然还可以有其它原因，如一个应用进程为完成一个特殊的任务，可以自己创建一个子进程。

进程被创建后就是在内存中，处于就绪状态，所谓就绪状态就是具备除了CPU之外的所有资源，万事具备，只欠东风，一旦占有了CPU，就变成了执行状态，执行中如果需要等待外围设备输入数据，则进程就沦落为等待状态，操作系统又会从就绪状态队列中调度一个进程占有CPU。

等到数据到来后，等待状态的进程又被唤醒成为就绪状态。

这些状态的转换是通过进程控制原语实现的。

程序的运行是通过进程体现的，操作系统对进程进行管理和控制，那么操作系统怎么了解到进程的状态呢，怎么把资源分配给进程呢，而且进程做状态转换时CPU现场保存在那呢？这要说到PCB（进程控制快）。

PCB是进程的唯一标志，在其中记录了进程的全部信息，它是一种记录型的数据结构，相当于进程的档案。

操作系统就通过PCB感知进程的存在，通过PCB了解进程和控制进程的运行。

PCB也是放在内存中的，如果PCB太大，有些系统把PCB中一些不重要的信息放在外存中。

进程执行速度的制约并发进程由于共享系统内部资源，因此导致进程执行速度上的制约，这种制约分为：间接制约与直接制约。

间接制约引起进程之间的互斥执行，直接制约引起进程间的同步执行。

例如一个家里如果只有一个卫生间，卫生间这个公有资源使得每个人只能互斥使用它，这就是间接制约。

而直接制约是指并发进程各自执行的结果互为对方的执行条件，例如司机与售票员的关系，当司机到站停车后，售票员才能开门，而只有售票员关门后，司机才能开车，他们之间是同步的。

进程的互斥与同步可以很好的通过信号量和PV原语来实现。

通过读一些同步与互斥的例子，你会体会到PV原语的精妙，也会感到一种乐趣。

并发进程的资源竞争不当还会导致死锁现象。

从单进程单线程到多进程多线程是操作系统发展的一种必然趋势，当年的DOS系统属于单任务操作系统，最优秀的程序员也只能通过驻留内存的方式实现所谓的"多任务"，而如今的Win32操作系统却可以一边听音乐，一边编程，一边打印文档。

理解多线程及其同步、互斥等通信方式是理解现代操作系统的关键一环，当我们精通了Win32多线程程序设计后，理解和学习其它操作系统的多任务控制也非常容易。

许多程序员从来没有学习过嵌入式系统领域著名的操作系统VxWorks，但是立马就能在上面做开发，大概要归功于平时在Win32多线程上下的功夫。

因此，学习Win32多线程不仅对理解Win32本身有重要意义，而且对学习和领会其它操作系统也有触类旁通的作用。

进程与线程先阐述一下进程和线程的概念和区别，这是一个许多大学老师也讲不清楚的问题。

进程（Process）是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

程序只是一组指令的有序集合，它本身没有任何运行的含义，只是一个静态实体。

而进程则不同，它是程序在某个数据集上的执行，是一个动态实体。

它因创建而产生，因调度而运行，因等待资源或事件而被处于等待状态，因完成任务而被撤消，反映了一个程序在一定的数据集上运行的全部动态过程。

线程（Thread）是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。

线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。

线程和进程的关系是：线程是属于进程的，线程运行在进程空间内，同一进程所产生的线程共享同一内存空间，当进程退出时该进程所产生的线程都会被强制退出并清除。

线程可与属于同一进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源，但是其本身基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的信息(如程序计数器、一组寄存器和栈)。

根据进程与线程的设置，操作系统大致分为如下类型：（1）单进程、单线程，MS-DOS大致是这种操作系统；（2）多进程、单线程，多数UNIX（及类UNIX的LINUX）是这种操作系统；（3）多进程、多线程，Win32（Windows NT/2000/XP等）、Solaris 2.x和OS/2都是这种操作系统；（4）单进程、多线程，VxWorks是这种操作系统。

在操作系统中引入线程带来的主要好处是：（1）在进程内创建、终止线程比创建、终止进程要快；（2）同一进程内的线程间切换比进程间的切换要快，尤其是用户级线程间的切换。

另外，线程的出现还因为以下几个原因：（1）并发程序的并发执行，在多处理环境下更为有效。

一个并发程序可以建立一个进程,而这个并发程序中的若干并发程序段就可以分别建立若干线程,使这些线程在不同的处理机上执行。

（2）每个进程具有独立的地址空间，而该进程内的所有线程共享该地址空间。

这样可以解决父子进程模型中，子进程必须复制父进程地址空间的问题。

（3）线程对解决客户/服务器模型非常有效。

进程是计算机进行资源分配和独立运行的基本单位。

3.1 进程的引入引入进程是为了使多道程序并发执行。

1.程序的顺序执行一个程序通常由若干个程序段所组成，它们必须按照某种先后次序来执行，仅当前一个操作执行完后才能执行后继操作，这类计算过程就是程序的顺序执行过程。

例如：先输入→再计算→最后输出，即：I→C →P。

程序顺序执行时的特征顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一个操作必须在下一个操作开始之前结束。

封闭性：程序一旦开始运行，其执行结果不受外界因素影响。

可再现性：只要程序执行时的初始条件和执行环境相同，当程序重复执行时，都将获得相同的结果。

2.程序的并发执行程序的并发执行是指若干个程序(或程序段)同时在系统中运行，这些程序(或程序段)的执行在时间上是重叠的，一个程序(或程序段)的执行尚未结束，另一个程序(或程序段)的执行已经开始。

前驱图前驱图是一个有向无循环图，图中的每个结点可以表示一条语句、一个程序段或进程，结点间的有向边表示语句或程序段的执行次序。

程序并发执行例进程1、2、3并发执行。

对每个进程而言，其输入、计算和输出这三个操作必须顺序执行。

它们之间存在如下先后关系：I1先于C1和I2 ， C1先于P1和C2 ， P1先于P2I2和C1 ， I3、 C2和P1可以并发。

与时间有关的错误例程序并发执行时可能出现与时间有关的错误。

例进程1：r1=x; 进程2：r2=x;r1++; r2++;x=r1; x=r2;设在两进程运行之前，x的值为0。

则两进程运行结束后，x值可为：Bernstein条件读集：语句执行期间要引用的变量集合，记为R(Si)={a1，…，am}写集：语句执行期间要改变的变量集合，记为W(Si)={b1，…，bn}Bernstein条件能保证两条相继的语句并发执行而不会产生与时间有关的错误：R(Si)∩ W(Sj)={ }R(Sj)∩ W(Si)={ }W(Si)∩ W(Sj)={ }例考虑下面是条语句：S1：a=x+y S2：b=z+1S3：c=a-b S4：d=c+1R(S1)={x,y} R(S2)={z} R(S3)={a,b}W(S1)={a} W(S2)={b} W(S3)={c}因R(S1)∩ W(S2)∪R(S2)∩ W(S1)∪W(S1)∩W(S2)={ }，故S1和S2可以并发执行。

因R(S2)∩ W(S3)∪R(S3)∩ W(S2)∪W(S3)∩W(S2)={b}，故S2和S3不能并发执行。

并发语句的描述方式cobeginS1;S2;…Sn;coend对应的前驱图如右，其中S0和Sn+1分别是cobegin和coend语句前后的两条语句。

程序并发执行时的特征间断性：并发程序具有“执行---暂停----执行”这种间断性的活动规律。

失去封闭性：多个程序共享系统中的资源，这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序之间相互影响。

不可再现性：在初始条件相同的情况下，程序的执行结果依赖于执行的次序。

并发程序的其他特征资源分配动态性：多道程序在运行过程中可根据需要随时提出分配资源的请求。

程序并发执行的相互制约：并发程序执行时相互影响，相互制约。

其相互制约关系分为：直接制约：合作进程之间的相互制约。

间接制约：因资源共享产生的相互制约。

相互通信的可能：多个进程之间可能需要相互传递信息。

同步与互斥的必要：并发进程之间需要调整相对执行速度，许多资源需要互斥使用。

3.2 进程的概念为了描述并发执行程序的动态特性，人们引入了一个新的概念——进程。

1. 进程的定义进程有多种定义，下面列举一些有代表性的定义：进程是可以并发执行的计算部分。

进程是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动。

进程是一个数据结构及在其上进行加工处理的过程。

进程是一个可以高度独立的活动。

进程是一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的特征动态性：进程是程序的一次执行过程。

动态性还表现为它因创建而产生，因调度而执行，因无资源而暂停，因撤消而消亡。

而程序是静态实体。

并发性：多个进程实体同时存在于内存中，能在一段时间内同时运行。

独立性：在传统OS中，进程是独立运行的基本单位，也是系统分配资源和调度的基本单位。

异步性：也叫制约性，进程之间相互制约，进程以各自独立的不可预知的速度向前推进。