操作系统(二)：进程概念、PCB管理与线程

进程的状态

一个进程在其生命周期中，通常处于以下三种基本状态之一：

1. 运行态 (running state)：进程正在处理机上运行。
2. 就绪态 (ready state)：进程已具备运行条件，正在等待分配处理机。
3. 阻塞态 (Blocked state)：进程因等待某事件（如I/O完成）而暂时无法运行。

新创建的进程首先进入就绪态。当系统调度该进程执行时，它进入运行态。如果在运行期间被其他进程打断（例如，时间片用完），或者有更高优先级的进程需要执行，该进程将回到就绪态。如果进程在运行过程中需要等待某些资源（且该资源当前不可用），它将转入阻塞态。一旦所需资源准备就绪，进程将被转入就绪态，等待再次被调度执行。

其它状态

某些操作系统会定义更丰富的进程状态。

例如：

• 当一个新进程正在被创建，尚未进入就绪队列时，它的状态是新状态 (new state)。
• 当进程执行完毕或被异常终止，它的状态会变成僵死态 (Terminated state)。

分时系统

分时系统是上世纪六七十年代的一项伟大发明。它通过虚拟化技术，为每个进程分配了一个虚拟处理器 (virtual CPUs)。这种方式具有以下优势：

1. 利用隔离机制，使计算机能够支持多用户并发使用。
2. 可以模拟其他型号的处理器，从而实现程序的兼容性。

进程控制块

操作系统利用一种称为进程控制块 (Process Control Block, PCB) 的数据结构来管理其环境中的所有运行进程。用户登录后，通常执行的第一个程序是GUI（图形用户界面）或Shell。不同操作系统的进程控制块结构大致相同，下表列出了一个常见的PCB所包含的信息：

信息	解释
进程状态 (process_state)	就绪/运行/阻塞
进程ID (process_id)	进程的唯一标识符
内存 (memory)	该进程被分配的内存上限、虚拟地址、物理地址映射等信息
调度情况 (scheduling_information)	该进程的优先级、调度算法相关信息
已打开的文件 (open_files)	记录了该进程打开的所有文件描述符
寄存器状态 (registers)	进程上一次在CPU寄存器中的信息，用于进程上下文切换（Context Switch），在进程再次运行时恢复，在阻塞或暂停时保存
父进程	一个指向其父进程PCB的指针
子进程	一个指针，指向一个记录所有子进程的链表的首节点

进程控制块的管理

主要有两种常见的PCB管理方式：

1. 静态数组存取：用数组直接存储PCB结构体。这种方式的优点是不需要进行动态内存管理，只需将新的PCB放入空闲位置即可；缺点是如果数组未装满，会造成空间浪费。

2. 指针数组与动态内存结合：用数组存储一系列指针，这些指针指向动态分配的PCB块。这种方式可以节省空间，但需要复杂的动态内存管理。

注：所谓动态内存管理，意味着需要根据需要动态地分配和释放内存空间，以添加或删除进程块。

我整理了一个表格，方便复习这些管理方式：

子进程在PCB中的储存

相对于直接使用链表来记录子进程，Linux设计了一种更高效的链表结构。下图解释了这种优化：

在上面这幅图中，子进程1、2、3是通过标准的双向链表方式记录的。当父进程0创建子进程3时，它必须在链表的末尾添加一个指针，指向子进程3。

如果我们给每个PCB添加一个指向其“同辈”（Sibling，即具有相同父进程的进程）的指针，传统的子进程链表就显得多余了。当我们给0添加一个子进程3时，只需将它与已有的同辈进程（如2）相连即可。

PCB的管理

操作系统使用多个进程表 (Process List) 来管理所有进程。等待列表 (waiting list) 用于记录那些处于阻塞态的进程，即PCB中 process_state 为 blocked 的进程。(用来记录进程状态信息的元素类型通常并非string，而是int或char)

就绪列表 (Ready List) 用于记录那些处于就绪态的进程，即 process_state 为 ready 的进程。就绪列表会根据一定的规则（调度算法）对所有进程进行排序，我将在后续的笔记中详细整理这部分内容。就目前而言，我们只需要知道这个列表会持续更新，以确保所有进程都能得到公平调度，同时不影响它们的优先级关系。

进程的终止

当一个进程终止时，不同的操作系统会采用不同的方式来处理其子进程。有的操作系统会将这些进程的父进程改为初始进程（通常是所有其他进程的祖先进程）；有的系统（如UNIX/Linux的一些情况）会将该进程的所有子进程一并删除（引发级联终止）。

资源控制块

注：这一部分的内容除了在某些教科书中出现，较少在其他地方找到参考，请谨慎参考。

操作系统除了进程控制块外，还可能维护一个资源控制块 (Resources Control Block)。与进程控制块类似，其结构大致如下表所示：

信息	解释
资源介绍	解释了该资源的属性和用途
状态	当前该资源的使用情况（如：空闲、被占用）
等待列表	正在等待该资源的进程队列

当一个进程需要使用某个资源时，会查看该资源的状态。如果该资源目前被占用，系统会把该进程从运行态转为阻塞态，并在该资源的等待列表中添加一个指向该进程的指针。当另一个进程完成了该资源的使用并释放它时，等待列表中的某个进程会转成就绪态，等待操作系统的调度。

线程

前提知识：一种抽象的理解方式

我们上面提到PCB中有一个叫寄存器状态的值，它会记录进程的程序计数器 (Program Counter, PC) 以及堆栈指针 (Stack Pointer, SP) 等关键寄存器的信息。当我们说执行某个进程时，我们需要在内存中加载这个程序的代码（二进制，也能翻译成汇编）。PC和SP是两个指针。PC指向下一条要执行的代码指令，而SP则指向堆栈的底部。随着进程的执行，PC会在代码间移动，某些操作（例如调用系统服务或函数调用）需要用到SP来管理数据栈。

正题：线程是什么？

一个进程可以将自己某些部分的模块（线程）独立、并行地运行，这被称为线程 (Threads)。你可以想象一个进程被分开执行。在进程访问资源时，有些资源并非必需的，进程可以在等待资源的同时执行其他模块。我们可以创建一个专门的线程来同步等待该资源。

resource;
resource_availability == False;
while(resource_availability != True){
  resource_availability = get_resource_state();
  if(resource_availability){
    resource = getresource();
  }
}
result1 = some_calculation();
result2 = some_other_calculation(resource);

上面的伪代码展示了对资源的请求。如果我们的资源一直没有被释放，整个进程就会一直处于阻塞态。然而，result1 的计算并不需要 resource。通过创建一个线程，该进程可以一边在这个长久的 while 循环里等待资源，一边进行 result1 的计算。

resource;
resource_availability == False;
while(resource_availability != True){
  resource_availability = get_resource_state();
  if(resource_availability){
    resource = getresource();
    result2 = some_other_calculation(resource);
  }
}
result1 = some_calculation();

由于调度的需要，在引入线程概念后，我们也需要为其准备一个线程控制块 (Threads Control Block, TCB)。当一个线程被创建时，其独立的PC和SP会被复制到TCB中。因此，实际上线程和进程一样，也拥有自己的状态（就绪、运行、阻塞）。在进程（主线程）处理 some_calculation(); 的同时，这个等待资源的线程会在 while 循环中持续运行，直到获得资源为止。

根据前提知识中的模型，现在由于多了线程的PC和SP，我们可以想象有两个PC和SP在同时作业：

用户级线程和内核级线程

线程分为两种类型：用户级线程 (User-level Threads, ULTs) 和内核级线程 (Kernel-level Threads, KLTs)。用户级线程由用户程序生成和管理，系统内核并不知晓该线程的存在；而内核级线程由操作系统内核直接管理，不能被进程直接访问，需要像创建进程一样使用内核调用（系统调用）来获取。

相对来说，普通线程（用户级线程）的优点有：

1. 比内核级线程更方便管理，调度开销小。
2. 相比内核级线程，能创建更多线程（不受内核资源限制）。
3. 程序移植到别的平台上不需要太多的更改。

当然，缺点也很明显：

1. 由于系统不知道普通线程的存在，如果某一个线程阻塞了，整个进程就进入了阻塞态。
2. 不能充分利用多CPU环境，因为底层把它当成了一个单一线程的进程。

许多现代操作系统会结合两者的优缺点来提升性能。例如，将用户级线程映射到内核级线程中，这样一来，就算是某个用户级线程阻塞了，其他线程也能通过内核级线程池找到接口继续运行。