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[26214] 2020-08-03_进程和线程基础知识全家桶，30张图一套带走

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-08-03_进程和线程基础知识全家桶，30张图一套带走 进 程 和 线 程 基 础 知 识 全 家 桶 ， 3 0   张 图 一 套 带 走 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 8 - 0 3 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 小 林 来 自 公 众 号 ： 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 先 来 看 看 一 则 小 故 事 我 们 写 好 的 一 行 行 代 码 ， 为 了 让 其 工 作 起 来 ， 我 们 还 得 把 它 送 进 城 （ 进 程 进 程 ） 里 ， 那 既 然 进 了 城 里 ， 那 肯 定 不 能 胡 作 非 为 了 。 城 里 人 有 城 里 人 的 规 矩 ， 城 中 有 个 专 门 管 辖 你 们 的 城 管 （ 操 作 系 统 操 作 系 统 ） ， 人 家 让 你 休 息 就 休 息 ， 让 你 工 作 就 工 作 ， 毕 竟 摊 位 （ C P U ） 就 一 个 ， 每 个 人 都 要 占 这 个 摊 位 来 工 作 ， 城 里 要 工 作 的 人 多 着 去 了 。 所 以 城 管 为 了 公 平 起 见 ， 它 使 用 一 种 策 略 （ 调 度 调 度 ） 方 式 ， 给 每 个 人 一 个 固 定 的 工 作 时 间 （ 时 间 片 时 间 片 ） ， 时 间 到 了 就 会 通 知 你 去 休 息 而 换 另 外 一 个 人 上 场 工 作 。 另 外 ， 在 休 息 时 候 你 也 不 能 偷 懒 ， 要 记 住 工 作 到 哪 了 ， 不 然 下 次 到 你 工 作 了 ， 你 忘 记 工 作 到 哪 了 ， 那 还 怎 么 继 续 ？ 有 的 人 ， 可 能 还 进 入 了 县 城 （ 线 程 线 程 ） 工 作 ， 这 里 相 对 轻 松 一 些 ， 在 休 息 的 时 候 ， 要 记 住 的 东 西 相 对 较 少 ， 而 且 还 能 共 享 城 里 的 资 源 。 “ 哎 哟 ， 难 道 本 文 内 容 是 进 程 和 线 程 ？ ” 可 以 ， 聪 明 的 你 猜 出 来 了 ， 也 不 枉 费 我 瞎 编 乱 造 的 故 事 了 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
进 程 和 线 程 对 于 写 代 码 的 我 们 ， 真 的 天 天 见 、 日 日 见 了 ， 但 见 的 多 不 代 表 你 就 熟 悉 它 们 ， 比 如 简 单 问 你 一 句 ， 你 知 道 它 们 的 工 作 原 理 和 区 别 吗 ？ 不 知 道 没 关 系 ， 今 天 就 要 跟 大 家 讨 论 操 作 系 统 的 进 程 和 线 程 操 作 系 统 的 进 程 和 线 程 。 提 纲 正 文 正 文 进 程 我 们 编 写 的 代 码 只 是 一 个 存 储 在 硬 盘 的 静 态 文 件 ， 通 过 编 译 后 就 会 生 成 二 进 制 可 执 行 文 件 ， 当 我 们 运 行 这 个 可 执 行 文 件 后 ， 它 会 被 装 载 到 内 存 中 ， 接 着   C P U   会 执 行 程 序 中 的 每 一 条 指 令 ， 那 么 这 个 运 行 中 的 程 序 ， 就 运 行 中 的 程 序 ， 就 被 称 为 「 进 程 」 被 称 为 「 进 程 」 。 现 在 我 们 考 虑 有 一 个 会 读 取 硬 盘 文 件 数 据 的 程 序 被 执 行 了 ， 那 么 当 运 行 到 读 取 文 件 的 指 令 时 ， 就 会 去 从 硬 盘
读 取 数 据 ， 但 是 硬 盘 的 读 写 速 度 是 非 常 慢 的 ， 那 么 在 这 个 时 候 ， 如 果   C P U   傻 傻 的 等 硬 盘 返 回 数 据 的 话 ， 那 C P U   的 利 用 率 是 非 常 低 的 。 做 个 类 比 ， 你 去 煮 开 水 时 ， 你 会 傻 傻 的 等 水 壶 烧 开 吗 ？ 很 明 显 ， 小 孩 也 不 会 傻 等 。 我 们 可 以 在 水 壶 烧 开 之 前 去 做 其 他 事 情 。 当 水 壶 烧 开 了 ， 我 们 自 然 就 会 听 到 “ 嘀 嘀 嘀 ” 的 声 音 ， 于 是 再 把 烧 开 的 水 倒 入 到 水 杯 里 就 好 了 。 所 以 ， 当 进 程 要 从 硬 盘 读 取 数 据 时 ， C P U   不 需 要 阻 塞 等 待 数 据 的 返 回 ， 而 是 去 执 行 另 外 的 进 程 。 当 硬 盘 数 据 返 回 时 ， C P U   会 收 到 个 中 断 中 断 ， 于 是   C P U   再 继 续 运 行 这 个 进 程 。 进 程   1   与 进 程   2   切 换 这 种 多 个 程 序 、 交 替 执 行 多 个 程 序 、 交 替 执 行 的 思 想 ， 就 有   C P U   管 理 多 个 进 程 的 初 步 想 法 。 对 于 一 个 支 持 多 进 程 的 系 统 ， C P U   会 从 一 个 进 程 快 速 切 换 至 另 一 个 进 程 ， 其 间 每 个 进 程 各 运 行 几 十 或 几 百 个 毫 秒 。 虽 然 单 核 的   C P U   在 某 一 个 瞬 间 ， 只 能 运 行 一 个 进 程 。 但 在   1   秒 钟 期 间 ， 它 可 能 会 运 行 多 个 进 程 ， 这 样 就 产 生 并 行 的 错 觉 并 行 的 错 觉 ， 实 际 上 这 是 并 发 并 发 。 并 发 和 并 行 有 什 么 区 别 ？ 一 图 胜 千 言 。
并 发 与 并 行 进 程 与 程 序 的 关 系 的 类 比 到 了 晚 饭 时 间 ， 一 对 小 情 侣 肚 子 都 咕 咕 叫 了 ， 于 是 男 生 见 机 行 事 ， 就 想 给 女 生 做 晚 饭 ， 所 以 他 就 在 网 上 找 了 辣 子 鸡 的 菜 谱 ， 接 着 买 了 一 些 鸡 肉 、 辣 椒 、 香 料 等 材 料 ， 然 后 边 看 边 学 边 做 这 道 菜 。 突 然 ， 女 生 说 她 想 喝 可 乐 ， 那 么 男 生 只 好 把 做 菜 的 事 情 暂 停 一 下 ， 并 在 手 机 菜 谱 标 记 做 到 哪 一 个 步 骤 ， 把 状 态 信 息 记 录 了 下 来 。 然 后 男 生 听 从 女 生 的 指 令 ， 跑 去 下 楼 买 了 一 瓶 冰 可 乐 后 ， 又 回 到 厨 房 继 续 做 菜 。 这 体 现 了 ， 这 体 现 了 ， C P U   可 以 从 一 个 进 程 （ 做 菜 ） 切 换 到 另 外 一 个 进 程 （ 买 可 乐 ） ， 在 切 换 前 必 须 要 记 录 当 前 可 以 从 一 个 进 程 （ 做 菜 ） 切 换 到 另 外 一 个 进 程 （ 买 可 乐 ） ， 在 切 换 前 必 须 要 记 录 当 前 进 程 中 运 行 的 状 态 信 息 ， 以 备 下 次 切 换 回 来 的 时 候 可 以 恢 复 执 行 。 进 程 中 运 行 的 状 态 信 息 ， 以 备 下 次 切 换 回 来 的 时 候 可 以 恢 复 执 行 。 所 以 ， 可 以 发 现 进 程 有 着 「 运 行 运 行   -   暂 停 暂 停   -   运 行 运 行 」 的 活 动 规 律 。
进 程 的 状 态 进 程 的 状 态 在 上 面 ， 我 们 知 道 了 进 程 有 着 「 运 行   -   暂 停   -   运 行 」 的 活 动 规 律 。 一 般 说 来 ， 一 个 进 程 并 不 是 自 始 至 终 连 续 不 停 地 运 行 的 ， 它 与 并 发 执 行 中 的 其 他 进 程 的 执 行 是 相 互 制 约 的 。 它 有 时 处 于 运 行 状 态 ， 有 时 又 由 于 某 种 原 因 而 暂 停 运 行 处 于 等 待 状 态 ， 当 使 它 暂 停 的 原 因 消 失 后 ， 它 又 进 入 准 备 运 行 状 态 。 所 以 ， 在 一 个 进 程 的 活 动 期 间 至 少 具 备 三 种 基 本 状 态 ， 即 运 行 状 态 、 就 绪 状 态 、 阻 塞 状 态 。 在 一 个 进 程 的 活 动 期 间 至 少 具 备 三 种 基 本 状 态 ， 即 运 行 状 态 、 就 绪 状 态 、 阻 塞 状 态 。 进 程 的 三 种 基 本 状 态 上 图 中 各 个 状 态 的 意 义 ： 运 行 状 态 （ R u n i n g ） ： 该 时 刻 进 程 占 用   C P U ； 就 绪 状 态 （ R e a d y ） ： 可 运 行 ， 但 因 为 其 他 进 程 正 在 运 行 而 暂 停 停 止 ； 阻 塞 状 态 （ B l o c k e d ） ： 该 进 程 正 在 等 待 某 一 事 件 发 生 （ 如 等 待 输 入 / 输 出 操 作 的 完 成 ） 而 暂 时 停 止 运 行 ， 这 时 ， 即 使 给 它 C P U 控 制 权 ， 它 也 无 法 运 行 ； 当 然 ， 进 程 另 外 两 个 基 本 状 态 ： 创 建 状 态 （ n e w ） ： 进 程 正 在 被 创 建 时 的 状 态 ； 结 束 状 态 （ E x i t ） ： 进 程 正 在 从 系 统 中 消 失 时 的 状 态 ； 于 是 ， 一 个 完 整 的 进 程 状 态 的 变 迁 如 下 图 ：
进 程 五 种 状 态 的 变 迁 再 来 详 细 说 明 一 下 进 程 的 状 态 变 迁 ： N U L L   - >   创 建 状 态 ： 一 个 新 进 程 被 创 建 时 的 第 一 个 状 态 ； 创 建 状 态   - >   就 绪 状 态 ： 当 进 程 被 创 建 完 成 并 初 始 化 后 ， 一 切 就 绪 准 备 运 行 时 ， 变 为 就 绪 状 态 ， 这 个 过 程 是 很 快 的 ； 就 绪 态   - >   运 行 状 态 ： 处 于 就 绪 状 态 的 进 程 被 操 作 系 统 的 进 程 调 度 器 选 中 后 ， 就 分 配 给   C P U   正 式 运 行 该 进 程 ； 运 行 状 态   - >   结 束 状 态 ： 当 进 程 已 经 运 行 完 成 或 出 错 时 ， 会 被 操 作 系 统 作 结 束 状 态 处 理 ； 运 行 状 态   - >   就 绪 状 态 ： 处 于 运 行 状 态 的 进 程 在 运 行 过 程 中 ， 由 于 分 配 给 它 的 运 行 时 间 片 用 完 ， 操 作 系 统 会 把 该 进 程 变 为 就 绪 态 ， 接 着 从 就 绪 态 选 中 另 外 一 个 进 程 运 行 ； 运 行 状 态   - >   阻 塞 状 态 ： 当 进 程 请 求 某 个 事 件 且 必 须 等 待 时 ， 例 如 请 求   I / O   事 件 ； 阻 塞 状 态   - >   就 绪 状 态 ： 当 进 程 要 等 待 的 事 件 完 成 时 ， 它 从 阻 塞 状 态 变 到 就 绪 状 态 ； 另 外 ， 还 有 一 个 状 态 叫 挂 起 状 态 挂 起 状 态 ， 它 表 示 进 程 没 有 占 有 物 理 内 存 空 间 。 这 跟 阻 塞 状 态 是 不 一 样 ， 阻 塞 状 态 是 等 待 某 个 事 件 的 返 回 。 由 于 虚 拟 内 存 管 理 原 因 ， 进 程 的 所 使 用 的 空 间 可 能 并 没 有 映 射 到 物 理 内 存 ， 而 是 在 硬 盘 上 ， 这 时 进 程 就 会 出 现 挂 起 状 态 ， 另 外 调 用   s l e e p   也 会 被 挂 起 。
虚 拟 内 存 管 理 - 换 入 换 出 挂 起 状 态 可 以 分 为 两 种 ： 阻 塞 挂 起 状 态 ： 进 程 在 外 存 （ 硬 盘 ） 并 等 待 某 个 事 件 的 出 现 ； 就 绪 挂 起 状 态 ： 进 程 在 外 存 （ 硬 盘 ） ， 但 只 要 进 入 内 存 ， 即 刻 立 刻 运 行 ； 这 两 种 挂 起 状 态 加 上 前 面 的 五 种 状 态 ， 就 变 成 了 七 种 状 态 变 迁 （ 留 给 我 的 颜 色 不 多 了 ） ， 见 如 下 图 ：
七 种 状 态 变 迁 进 程 的 控 制 结 构 进 程 的 控 制 结 构 在 操 作 系 统 中 ， 是 用 进 程 控 制 块 进 程 控 制 块 （ p r o c e s s   c o n t r o l   b l o c k ， P C B ） 数 据 结 构 来 描 述 进 程 的 。 那   P C B   是 什 么 呢 ？ 打 开 知 乎 搜 索 你 就 会 发 现 这 个 东 西 并 不 是 那 么 简 单 。 知 乎 搜   P C B   的 提 示 打 住 打 住 ， 我 们 是 个 正 经 的 人 ， 怎 么 会 去 看 那 些 问 题 呢 ？ 是 吧 ， 回 来 回 来 。 P C B   是 进 程 存 在 的 唯 一 标 识 是 进 程 存 在 的 唯 一 标 识 ， 这 意 味 着 一 个 进 程 的 存 在 ， 必 然 会 有 一 个   P C B ， 如 果 进 程 消 失 了 ， 那 么 P C B   也 会 随 之 消 失 。 P C B   具 体 包 含 什 么 信 息 呢 ？ 进 程 描 述 信 息 ： 进 程 描 述 信 息 ： 进 程 标 识 符 ： 标 识 各 个 进 程 ， 每 个 进 程 都 有 一 个 并 且 唯 一 的 标 识 符 ； 用 户 标 识 符 ： 进 程 归 属 的 用 户 ， 用 户 标 识 符 主 要 为 共 享 和 保 护 服 务 ； 进 程 控 制 和 管 理 信 息 ： 进 程 控 制 和 管 理 信 息 ： 进 程 当 前 状 态 ， 如   n e w 、 r e a d y 、 r u n n i n g 、 w a i t i n g   或   b l o c k e d   等 ； 进 程 优 先 级 ： 进 程 抢 占   C P U   时 的 优 先 级 ； 资 源 分 配 清 单 ： 资 源 分 配 清 单 ： 有 关 内 存 地 址 空 间 或 虚 拟 地 址 空 间 的 信 息 ， 所 打 开 文 件 的 列 表 和 所 使 用 的   I / O   设 备 信 息 。 C P U   相 关 信 息 ： 相 关 信 息 ： C P U   中 各 个 寄 存 器 的 值 ， 当 进 程 被 切 换 时 ， C P U   的 状 态 信 息 都 会 被 保 存 在 相 应 的   P C B   中 ， 以 便 进 程 重 新 执 行 时 ， 能 从 断 点 处 继 续 执 行 。 可 见 ， P C B   包 含 信 息 还 是 比 较 多 的 。
每 个   P C B   是 如 何 组 织 的 呢 ？ 通 常 是 通 过 链 表 链 表 的 方 式 进 行 组 织 ， 把 具 有 相 同 状 态 的 进 程 链 在 一 起 ， 组 成 各 种 队 列 相 同 状 态 的 进 程 链 在 一 起 ， 组 成 各 种 队 列 。 比 如 ： 将 所 有 处 于 就 绪 状 态 的 进 程 链 在 一 起 ， 称 为 就 绪 队 列 就 绪 队 列 ； 把 所 有 因 等 待 某 事 件 而 处 于 等 待 状 态 的 进 程 链 在 一 起 就 组 成 各 种 阻 塞 队 列 阻 塞 队 列 ； 另 外 ， 对 于 运 行 队 列 在 单 核   C P U   系 统 中 则 只 有 一 个 运 行 指 针 了 ， 因 为 单 核   C P U   在 某 个 时 间 ， 只 能 运 行 一 个 程 序 。 那 么 ， 就 绪 队 列 和 阻 塞 队 列 链 表 的 组 织 形 式 如 下 图 ： 就 绪 队 列 和 阻 塞 队 列 除 了 链 接 的 组 织 方 式 ， 还 有 索 引 方 式 ， 它 的 工 作 原 理 ： 将 同 一 状 态 的 进 程 组 织 在 一 个 索 引 表 中 ， 索 引 表 项 指 向 相 应 的   P C B ， 不 同 状 态 对 应 不 同 的 索 引 表 。 一 般 会 选 择 链 表 ， 因 为 可 能 面 临 进 程 创 建 ， 销 毁 等 调 度 导 致 进 程 状 态 发 生 变 化 ， 所 以 链 表 能 够 更 加 灵 活 的 插 入 和 删 除 。 进 程 的 控 制 进 程 的 控 制 我 们 熟 知 了 进 程 的 状 态 变 迁 和 进 程 的 数 据 结 构   P C B   后 ， 再 来 看 看 进 程 的 创 建 、 终 止 、 阻 塞 、 唤 醒 创 建 、 终 止 、 阻 塞 、 唤 醒 的 过 程 ， 这 些 过 程 也 就 是 进 程 的 控 制 。 0 1   创 建 进 程 创 建 进 程 操 作 系 统 允 许 一 个 进 程 创 建 另 一 个 进 程 ， 而 且 允 许 子 进 程 继 承 父 进 程 所 拥 有 的 资 源 ， 当 子 进 程 被 终 止 时 ， 其 在 父 进 程 处 继 承 的 资 源 应 当 还 给 父 进 程 。 同 时 ， 终 止 父 进 程 时 同 时 也 会 终 止 其 所 有 的 子 进 程 。
创 建 进 程 的 过 程 如 下 ： 为 新 进 程 分 配 一 个 唯 一 的 进 程 标 识 号 ， 并 申 请 一 个 空 白 的   P C B ， P C B   是 有 限 的 ， 若 申 请 失 败 则 创 建 失 败 ； 为 进 程 分 配 资 源 ， 此 处 如 果 资 源 不 足 ， 进 程 就 会 进 入 等 待 状 态 ， 以 等 待 资 源 ； 初 始 化   P C B ； 如 果 进 程 的 调 度 队 列 能 够 接 纳 新 进 程 ， 那 就 将 进 程 插 入 到 就 绪 队 列 ， 等 待 被 调 度 运 行 ； 0 2   终 止 进 程 终 止 进 程 进 程 可 以 有   3   种 终 止 方 式 ： 正 常 结 束 、 异 常 结 束 以 及 外 界 干 预 （ 信 号 掉 ） 。 终 止 进 程 的 过 程 如 下 ： 查 找 需 要 终 止 的 进 程 的   P C B ； 如 果 处 于 执 行 状 态 ， 则 立 即 终 止 该 进 程 的 执 行 ， 然 后 将   C P U   资 源 分 配 给 其 他 进 程 ； 如 果 其 还 有 子 进 程 ， 则 应 将 其 所 有 子 进 程 终 止 ； 将 该 进 程 所 拥 有 的 全 部 资 源 都 归 还 给 父 进 程 或 操 作 系 统 ； 将 其 从   P C B   所 在 队 列 中 删 除 ； 0 3   阻 塞 进 程 阻 塞 进 程 当 进 程 需 要 等 待 某 一 事 件 完 成 时 ， 它 可 以 调 用 阻 塞 语 句 把 自 己 阻 塞 等 待 。 而 一 旦 被 阻 塞 等 待 ， 它 只 能 由 另 一 个 进 程 唤 醒 。 阻 塞 进 程 的 过 程 如 下 ： 找 到 将 要 被 阻 塞 进 程 标 识 号 对 应 的   P C B ； 如 果 该 进 程 为 运 行 状 态 ， 则 保 护 其 现 场 ， 将 其 状 态 转 为 阻 塞 状 态 ， 停 止 运 行 ； 将 该   P C B   插 入 的 阻 塞 队 列 中 去 ； 0 4   唤 醒 进 程 唤 醒 进 程 进 程 由 「 运 行 」 转 变 为 「 阻 塞 」 状 态 是 由 于 进 程 必 须 等 待 某 一 事 件 的 完 成 ， 所 以 处 于 阻 塞 状 态 的 进 程 是 绝 对 不 可 能 叫 醒 自 己 的 。 如 果 某 进 程 正 在 等 待   I / O   事 件 ， 需 由 别 的 进 程 发 消 息 给 它 ， 则 只 有 当 该 进 程 所 期 待 的 事 件 出 现 时 ， 才 由 发 现 者 进 程 用 唤 醒 语 句 叫 醒 它 。 唤 醒 进 程 的 过 程 如 下 ： 在 该 事 件 的 阻 塞 队 列 中 找 到 相 应 进 程 的   P C B ； k i l l
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