论文部分内容阅读
摘 要：本文阐述了进程、线程概念，描述了进程与线程的关系;通过我们熟悉的知识竞赛场景做类比，能深入浅出地理解操作系统中的进程、线程概念及执行过程;以门钥匙为例生动、形象地诠释了进程间的通讯、同步与互斥机制;阐述了进程、线程的创建方法以及应用特征。
关键词：进程;线程;并发;共享;資源
0引言
操作系统是应用程序（用户）与计算机硬件的中间层，其管理计算机软硬件、为用户提供接口。操作系统的核心是进程、线程的调度执行;为了提高CPU的执行效率引入多进程、多线程机制，准确理解进程、线程是掌握操作系统原理的关键。
1进程与线程
进程：是有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是一个被操作系统进行资源分配和调度的一个独立调度单位。由机器指令、数据、堆栈和控制等部分组成。进程是程序执行的过程;进程有就绪、执行、阻塞等几种状态。
线程：是CPU调度和分派的基本单位，它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源[1]。
进程和线程的关系：线程是进程的一部分，一个线程只能属于一个进程，一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。
进程和线程的区别：进程是操作系统资源（中央处理器、内存、文件、网络等）分配的基本单位;线程是任务调度和执行的基本单位（占用CPU）。每个进程都有独立的代码和数据空间，线程有独立的运行栈和程序计数器，因此进程之间切换开销大，线程之间切换开销小，故线程又叫轻量级进程。系统为每个进程分配不同的内存空间;线程除CPU外不单独分配内存（使用其所属进程的资源，线程组共享）。
多进程是多个进程同时存在于内存中形成并发执行（不是同时执行）。
为理解进程、线程，现举一我们熟悉的知识竞赛场景对照描述：舞台上有n个队，每队有m个队员进行抢答，抢答器系统对应CPU，一个队对应一个进程，一个人对应一个线程。此时就相当于有n个进程，每个进程拥有m个线程。
一个队占有一个抢答台位相当于一个进程拥有的内存空间，m个队员共享。
某队员抢答有效进行发言相当于线程拥有CPU执行。
进程调度：调度算法有先来先服务（FCFS）、轮转（RR）、优先级、多队列、多级反馈队列等。调度方式有抢占式、非抢占式。队员争抢过程相当于非抢占式、先来先服务进程调度方法。
2 进程间通信与同步
虚拟内存机制（程序运行时以分页、段方式把一部分部分调入内存[2]）为进程管理存储资源带来了种种好处，但是也给进程带来了一些麻烦，因为每个进程拥有独立的虚拟内存地址空间，所以对不同的进程来说一个相同的虚拟地址以为着不同的物理地址。CPU执行指令是采用了虚拟地址，对于一个特定的变量来说，对应着一个特定的虚拟地址。因此两个进程不能通过简单的共享变量的方式来进行通信，只能用信号、管道等方式通信，效率比直接共享内存方式差。
进程互斥与同步：多进程并发执行会出现争用资源，若资源唯一（象独木桥一次只许一人），就必须对资源使用进行限制，争用这一资源的进程称为是互斥关系，某段时间只能某个进程占用资源。若某两个或几个进程执行顺序先后是确定的不能改变（如生产和消费必须是先生产再消费）称这两个进程是同步关系。
互斥、同步通过信号量机制给以保障。信号量相当于门锁的钥匙，互斥相当于只有一把钥匙，拿到钥匙者开锁进门，出来时交出钥匙，只能一人进门（实现原语操作）;同步的实现用两层信号量，相当于两道门锁，第一道门是先后次序（生产先执行，消费者看有产品再执行）的控制，第二道门实现互斥。
3进程、线程创建
进程创建唯一方法是调用函数fork（），该调用创建一个与原进程代码完全一样的子进程，原进程称为父进程，新进程称为子进程，父子进程不同的是进程标识号（PID）以及它们的进程控制块（PCB）中的父子进程标识号记录字段，通过下面代码作一说明：
If（fort（）==0）
Printf（“I am son_process＼n”）;
else
Printf（“I am father_process＼n”）;
Sleep（1）;
执行结果是I am son_process
I am fathe_rprocess
或者： I am father_process
I am son_proces
从结果看if与else中的代码都完成一次执行，说明fort（）向父进程返回了不为0的值（即进程的ID）而向子进程返回了0值。
线程创建：C语言利用Pthreads库创建线程数据结构，Pthreads运行在用户空间，内核调度实体（KSE）运行在内核空间;Linux内核提供clone系统调用创建类似线程的轻量级进程[3]。
Java中线程的实现：Java语言提供了java.lang.Thread类来表示线程，提供了run方法表示线程的运行的逻辑控制流[4]。
4结语
构建并发程序可以基于进程也可基于线程，现代多任务操作系统（如WINDOWS）采用时间片轮转调度的多线程方式，由于切换开销比进程小，并发执行效率高。
参考文献：
[1]汤小丹，梁红兵，哲凤屏，等. 计算机操作系统.4版. 西安：西安电子科技大学出版社， 2019 ，39-40
[2]白中英，戴志涛.计算机组成原理.6版.北京：科学出版社，2019，104-105
[3]邵国金等.Linux操作系统.3版.电子工业出版社，2018，339
[4]软件开发技术联盟.Java开发实战.清华大学出版社，2013，237-238
关键词：进程;线程;并发;共享;資源
0引言
操作系统是应用程序（用户）与计算机硬件的中间层，其管理计算机软硬件、为用户提供接口。操作系统的核心是进程、线程的调度执行;为了提高CPU的执行效率引入多进程、多线程机制，准确理解进程、线程是掌握操作系统原理的关键。
1进程与线程
进程：是有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是一个被操作系统进行资源分配和调度的一个独立调度单位。由机器指令、数据、堆栈和控制等部分组成。进程是程序执行的过程;进程有就绪、执行、阻塞等几种状态。
线程：是CPU调度和分派的基本单位，它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源[1]。
进程和线程的关系：线程是进程的一部分，一个线程只能属于一个进程，一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程。
进程和线程的区别：进程是操作系统资源（中央处理器、内存、文件、网络等）分配的基本单位;线程是任务调度和执行的基本单位（占用CPU）。每个进程都有独立的代码和数据空间，线程有独立的运行栈和程序计数器，因此进程之间切换开销大，线程之间切换开销小，故线程又叫轻量级进程。系统为每个进程分配不同的内存空间;线程除CPU外不单独分配内存（使用其所属进程的资源，线程组共享）。
多进程是多个进程同时存在于内存中形成并发执行（不是同时执行）。
为理解进程、线程，现举一我们熟悉的知识竞赛场景对照描述：舞台上有n个队，每队有m个队员进行抢答，抢答器系统对应CPU，一个队对应一个进程，一个人对应一个线程。此时就相当于有n个进程，每个进程拥有m个线程。
一个队占有一个抢答台位相当于一个进程拥有的内存空间，m个队员共享。
某队员抢答有效进行发言相当于线程拥有CPU执行。
进程调度：调度算法有先来先服务（FCFS）、轮转（RR）、优先级、多队列、多级反馈队列等。调度方式有抢占式、非抢占式。队员争抢过程相当于非抢占式、先来先服务进程调度方法。
2 进程间通信与同步
虚拟内存机制（程序运行时以分页、段方式把一部分部分调入内存[2]）为进程管理存储资源带来了种种好处，但是也给进程带来了一些麻烦，因为每个进程拥有独立的虚拟内存地址空间，所以对不同的进程来说一个相同的虚拟地址以为着不同的物理地址。CPU执行指令是采用了虚拟地址，对于一个特定的变量来说，对应着一个特定的虚拟地址。因此两个进程不能通过简单的共享变量的方式来进行通信，只能用信号、管道等方式通信，效率比直接共享内存方式差。
进程互斥与同步：多进程并发执行会出现争用资源，若资源唯一（象独木桥一次只许一人），就必须对资源使用进行限制，争用这一资源的进程称为是互斥关系，某段时间只能某个进程占用资源。若某两个或几个进程执行顺序先后是确定的不能改变（如生产和消费必须是先生产再消费）称这两个进程是同步关系。
互斥、同步通过信号量机制给以保障。信号量相当于门锁的钥匙，互斥相当于只有一把钥匙，拿到钥匙者开锁进门，出来时交出钥匙，只能一人进门（实现原语操作）;同步的实现用两层信号量，相当于两道门锁，第一道门是先后次序（生产先执行，消费者看有产品再执行）的控制，第二道门实现互斥。
3进程、线程创建
进程创建唯一方法是调用函数fork（），该调用创建一个与原进程代码完全一样的子进程，原进程称为父进程，新进程称为子进程，父子进程不同的是进程标识号（PID）以及它们的进程控制块（PCB）中的父子进程标识号记录字段，通过下面代码作一说明：
If（fort（）==0）
Printf（“I am son_process＼n”）;
else
Printf（“I am father_process＼n”）;
Sleep（1）;
执行结果是I am son_process
I am fathe_rprocess
或者： I am father_process
I am son_proces
从结果看if与else中的代码都完成一次执行，说明fort（）向父进程返回了不为0的值（即进程的ID）而向子进程返回了0值。
线程创建：C语言利用Pthreads库创建线程数据结构，Pthreads运行在用户空间，内核调度实体（KSE）运行在内核空间;Linux内核提供clone系统调用创建类似线程的轻量级进程[3]。
Java中线程的实现：Java语言提供了java.lang.Thread类来表示线程，提供了run方法表示线程的运行的逻辑控制流[4]。
4结语
构建并发程序可以基于进程也可基于线程，现代多任务操作系统（如WINDOWS）采用时间片轮转调度的多线程方式，由于切换开销比进程小，并发执行效率高。
参考文献：
[1]汤小丹，梁红兵，哲凤屏，等. 计算机操作系统.4版. 西安：西安电子科技大学出版社， 2019 ，39-40
[2]白中英，戴志涛.计算机组成原理.6版.北京：科学出版社，2019，104-105
[3]邵国金等.Linux操作系统.3版.电子工业出版社，2018，339
[4]软件开发技术联盟.Java开发实战.清华大学出版社，2013，237-238