# Table of Contents

* [1 前趋图](#1-前趋图)
* [2 程序执行特征](#2-程序执行特征)
  * [2.1 顺序执行的特征](#21-顺序执行的特征)
  * [2.2 并发执行的特征](#22-并发执行的特征)
* [3 进程](#3-进程)
  * [3.1 定义](#31-定义)
  * [3.2 组成](#32-组成)
  * [3.3 特征](#33-特征)
  * [3.4 基本状态](#34-基本状态)
  * [3.5 基本状态的切换](#35-基本状态的切换)
  * [3.6 创建与终止状态](#36-创建与终止状态)
  * [3.7 挂起与激活](#37-挂起与激活)
* [4 `PCB`](#4-pcb)
  * [4.1 `PCB`定义](#41-pcb定义)
  * [4.2 作用](#42-作用)
  * [4.3 组成](#43-组成)
    * [4.3.1 进程标识符](#431-进程标识符)
    * [4.3.2 处理机状态](#432-处理机状态)
    * [4.3.3 进程调度信息](#433-进程调度信息)
    * [4.3.4 进程控制信息](#434-进程控制信息)
* [5 用户态与系统态](#5-用户态与系统态)
* [6 `OS`内核功能](#6-os内核功能)
  * [6.1 支撑功能](#61-支撑功能)
  * [6.2 资源管理功能](#62-资源管理功能)
* [7 进程创建](#7-进程创建)
  * [7.1 引起进程创建的事件](#71-引起进程创建的事件)
  * [7.2 创建过程](#72-创建过程)
* [8 进程终止](#8-进程终止)
  * [8.1 引起终止的事件](#81-引起终止的事件)
  * [8.2 终止过程](#82-终止过程)
* [9 阻塞/唤醒/挂起/激活](#9-阻塞唤醒挂起激活)
  * [9.1 阻塞与唤醒](#91-阻塞与唤醒)
    * [9.1.1 引起阻塞与唤醒的事件](#911-引起阻塞与唤醒的事件)
    * [9.1.2 阻塞过程](#912-阻塞过程)
    * [9.1.3 唤醒过程](#913-唤醒过程)
  * [9.2 挂起与激活](#92-挂起与激活)
    * [9.2.1 挂起过程](#921-挂起过程)
    * [9.2.2 激活过程](#922-激活过程)
* [10 进程同步](#10-进程同步)
  * [10.1 制约关系](#101-制约关系)
  * [10.2 同步机制应该遵循的原则](#102-同步机制应该遵循的原则)
* [11 实现互斥](#11-实现互斥)
  * [11.1 硬件同步机制](#111-硬件同步机制)
  * [11.2 信号量机制](#112-信号量机制)
    * [11.2.1 整型信号量](#1121-整型信号量)
    * [11.2.2 记录型信号量](#1122-记录型信号量)
    * [11.2.3 `AND`型信号量](#1123-and型信号量)
    * [11.2.4 信号量集](#1124-信号量集)
* [12 信号量集应用](#12-信号量集应用)
  * [12.1 实现互斥操作](#121-实现互斥操作)
  * [12.2 实现前趋关系](#122-实现前趋关系)
* [13 管程](#13-管程)
  * [13.1 定义](#131-定义)
  * [13.2 特性](#132-特性)
* [14 进程通信方式](#14-进程通信方式)
  * [14.1 管道/匿名管道](#141-管道匿名管道)
  * [14.2 有名管道](#142-有名管道)
  * [14.3 信号](#143-信号)
  * [14.4 消息队列](#144-消息队列)
  * [14.5 共享内存](#145-共享内存)
  * [14.6 信号量](#146-信号量)
  * [14.7 套接字](#147-套接字)
    * [14.7.1 域](#1471-域)
    * [14.7.2 端口号](#1472-端口号)
    * [14.7.3 协议类型](#1473-协议类型)
    * [14.7.4 套接字建立过程](#1474-套接字建立过程)
* [15 线程](#15-线程)
  * [15.1 线程引入](#151-线程引入)
  * [15.2 线程的三个状态](#152-线程的三个状态)
  * [15.3 `TCB`](#153-tcb)
  * [15.4 线程实现方式](#154-线程实现方式)
    * [15.4.1 内核支持线程](#1541-内核支持线程)
    * [15.4.2 用户级线程](#1542-用户级线程)
    * [15.4.3 组合方式](#1543-组合方式)
  * [15.5 线程实现](#155-线程实现)
    * [15.5.1 `KTS`实现](#1551-kts实现)
    * [15.5.2 `ULS`实现](#1552-uls实现)
      * [15.5.2.1 运行时系统](#15521-运行时系统)
      * [15.5.2.2 内核控制线程](#15522-内核控制线程)
  * [15.6 线程创建与终止](#156-线程创建与终止)
  * [15.7 线程通信方式](#157-线程通信方式)
* [16 进程与线程比较](#16-进程与线程比较)
* [17 线程与协程比较](#17-线程与协程比较)


# 1 前趋图
一个有向无循环图，用来描述程序段或进程之间执行的先后次序关系。每个结点表示一个程序段或一个进程，结点间的有向边用来表示两个节点之间存在的偏序或前趋关系。

基本术语：

- 初始结点：没有前趋结点的结点
- 终止结点：没有后继结点的结点

前趋图**不允许循环**存在。

# 2 程序执行特征
## 2.1 顺序执行的特征
- **顺序性**
- **封闭性**
- **可再现性**

## 2.2 并发执行的特征
- **间断性**
- **失去封闭性**
- **不可再现性**


# 3 进程
## 3.1 定义
无统一定义，常见定义如下：

- **进程是程序的一次执行**
- 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
- **进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位**


## 3.2 组成

**进程=程序段+数据段+PCB**。

## 3.3 特征
- **动态性**：进程是程序的一次执行，动态的
- **并发性**：多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时执行
- **独立性**：进程实体是一个能够独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位
- **异步性**：进程可按各自独立、不可预知的速度向前推进

## 3.4 基本状态
三种：

- **就绪状态**：进程已获得除`CPU`外的所有资源，只要得到`CPU`，便可立即执行
- **执行状态**：进程已获得`CPU`，某程序正在`CPU`上执行
- **阻塞状态**：正在执行的进程因某种事件的发生而暂时无法继续执行

## 3.5 基本状态的切换
如图所示：

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200917125452325.png)

- 对单个进程而已任何时候只能处于某种状态之中
- `就绪->执行`：进程调度获得`CPU`后便由就绪转为执行状态
- `执行->就绪`：时间片完则由执行转为就绪状态
- `执行->阻塞`：等待某种事件（比如`I/O`）则由执行转为阻塞状态
- `阻塞->就绪`：等待的事件完成就由阻塞转为就绪状态

## 3.6 创建与终止状态
- 创建状态：进程由创建而产生，引入创建状态是为了保证进程的调度在创建之后进行，创建的简要流程是首先申请一个空白`PCB`，接着向其中填写用于控制和管理进程的信息，然后为该进程分配运行时所必须的资源，最后把该进程转入就绪状态并插入就绪队列中
- 终止状态：首先等待操作系统善后处理，最后将`PCB`清零并归还`PCB`

加入后的关系转换图如下：

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200917130701754.png)


## 3.7 挂起与激活
挂起的是指是进程不能被继续执行，被挂起的进程处于静止状态，没被挂起的叫活动状态。

处于静止状态的进程，只有通过激活操作才能变为活动状态。

转换图如下：

![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200917131506515.png)

# 4 `PCB`
## 4.1 `PCB`定义
`Process Control Block`，`进程控制块`，是进程实体的一部分，在`PCB`中记录了系统所需的，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息。

## 4.2 作用
- **作为独立运行基本单位的标志：换句话说，程序与进程的区别是`PCB`，`PCB`是进程存在的唯一标志**
- 能实现间断性运行方式：供恢复现场使用
- 提供进程管理所需要的信息：根据`PCB`对进程的程序、数据以及所需要的资源进行管理
- 提供进程调度所需要的信息：`PCB`描述了进程的状态，处于就绪状态的才能被调度
- 实现与其他进程的同步与通信

## 4.3 组成
由四部分组成：

- 进程标识符
- 处理机状态
- 进程调度信息
- 进程控制信息

### 4.3.1 进程标识符
进程标识符用于唯一标识一个进程，通常有两种标识符：

- 外部标识符：由创建者提供，通常由字母+数字组成
- 内部标识符：为了方便系统调用的内部唯一数字标识符


### 4.3.2 处理机状态
也叫处理机上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成，其中寄存器包括：

- 通用寄存器：用户程序可访问的暂存信息的寄存器
- 指令计数器：存放了要访问的下一条指令的地址
- `PSW`：程序状态字，包含状态信息，比如条件码、执行方式等
- 用户栈指针：存放过程和系统调用参数及调用地址


### 4.3.3 进程调度信息
包括：

- 进程状态：进程当前的状态
- 进程优先级：描述进程使用的处理机优先级的一个整数
- 进程调度的其他信息：比如进程已执行的时间总和等
- 事件：进程由执行状态转变为阻塞状态锁等待发生的事件，即阻塞原因


### 4.3.4 进程控制信息
用于进程控制所必须的信息，包括：

- 程序和数据的地址：`PCB`从这些地址找到要执行的程序和所需要的数据
- 进程同步和通信机制：比如消息队列指针和信号量等
- 资源清单：列出运行期间所需要的全部资源
- 链接指针：下一个进程`PCB`的首地址


# 5 用户态与系统态
处理机的执行状态分为系统态以及用户态：

- **系统态**：又称为管态，也叫内核态，具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区
- **用户态**：又叫目态，具有较低特权的执行状态，仅能执行规定的指令


# 6 `OS`内核功能
两大功能：

- 支撑功能
- 资源管理功能

## 6.1 支撑功能
包括：

- 中断处理：内核最基本的功能，整个操作系统赖以活动的基础
- 时钟管理：比如在时间片轮转调度算法中使用到了时钟管理
- 原语作业：原语就是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，它们是原子操作，也就是一个操作中的所有动作要么全做要么全不做


## 6.2 资源管理功能
包括：

- 进程管理
- 存储器管理
- 设备管理


# 7 进程创建
## 7.1 引起进程创建的事件
- 用户登录：分时系统中用户登录会为该用户创建一个进程
- 作业调度：多道批处理系统中将作业装入内存会为作业创建进程
- 提供服务：用户程序提出某个请求后系统自动为其创建一个进程
- 应用请求：由用户自己创建进程


## 7.2 创建过程
- 申请空白`PCB`：为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从`PCB`集合中索取一个空白`PCB`
- 为新进程分配运行所需的资源：包括各种物理资源、逻辑资源、内存、文件等
- 初始化`PCB`：包括初始化标识信息、初始化处理机状态信息、初始化处理机控制信息
- 插入就绪队列：如果就绪队列能够接纳新进程则将新进程插入就绪队列


![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200924085958320.png)

# 8 进程终止
## 8.1 引起终止的事件
引起终止的事件有三种：`正常结束`、`异常结束`以及`外界干预`，正常结束就是正常结束的流程，而异常结束就是出现了某种异常而结束，包括：

- 越界错
- 保护错
- 非法指令
- 特权指令错
- 运行超时
- 等待超时
- 算术运算错
- `I/O`故障

等等。而外界干预就是受到外界的请求而终止，比如：

- 操作员或操作系统干预
- 父进程请求
- 父进程终止

## 8.2 终止过程

- 根据被终止的标识符，从`PCB`集合检索该进程的`PCB`
- 若进程处于执行状态先停止执行
- 若进程还有子孙进程需要终止子孙进程
- 归还资源给父进程/系统
- 将`PCB`从队列中移出


# 9 阻塞/唤醒/挂起/激活

## 9.1 阻塞与唤醒
### 9.1.1 引起阻塞与唤醒的事件
- 向系统请求共享资源失败：请求失败会被阻塞，一直等到有资源时才被唤醒
- 等待某种操作完成：等待时阻塞，完成时唤醒
- 新数据尚未到达：到达前阻塞，到达后唤醒
- 等待新任务到达：到达前阻塞，到达后唤醒

### 9.1.2 阻塞过程
阻塞是进程的一种自身主动的行为，过程如下：

- 调用阻塞原语`block`
- 停止进程运行
- 将`PCB`插入阻塞队列
- 调度，将处理机分配给另一进程


### 9.1.3 唤醒过程

- 调用唤醒原语`wakeup`
- 将进程移出阻塞队列
- 将`PCB`从阻塞改为就绪
- 再将`PCB`插入就绪队列


## 9.2 挂起与激活
### 9.2.1 挂起过程
- 调用原语`suspend`
- 改为静止状态：也就是活动就绪变为静止就绪，活动阻塞变为静止阻塞
- 将`PCB`复制到某指定内存区域：方便查看进程状态
- 调度：若进程正在执行，进行调度

### 9.2.2 激活过程
- 调用原语`active`
- 将进程从外存调入内存
- 改为活动状态：若为静止就绪则改为活动就绪，若为静止阻塞则改为活动阻塞
- 优先级比较调度：若采用的是抢占式的调度策略，比较优先级并进行调度


# 10 进程同步
## 10.1 制约关系
- 间接相互制约：比如共享设备的使用，两个进程不能同时使用等等
- 直接相互制约：一个进程等待另一个进程的计算结果等等

## 10.2 同步机制应该遵循的原则
- **空闲让进**：无进程处于临界区时应该允许进入
- **忙则等待**：有进程处于临界区时应处于等待状态
- **有限等待**：不能陷入死等状态
- **让权等待**：进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机


# 11 实现互斥
## 11.1 硬件同步机制
包括：

- 关中断
- `Test-and-Set`指令实现互斥
- `Swap`指令实现互斥

## 11.2 信号量机制
包括：

- 整型信号量
- 记录型信号量
- `AND`型信号量
- 信号量集

### 11.2.1 整型信号量
- 信号量：用于表示资源数目或请求使用某一资源进程个数的数据结构，是一个被保护的变量，只能通过初始化、`P/V`操作去访问
- `P`操作：申请资源操作，实际上是原语`wait`
- `V`操作：释放资源操作，实际上是原语`signal`

伪代码：
```c
wait(S)
{
	while(S <= 0);
	--S;
}

signal(S)
{
	++S;
}
```

### 11.2.2 记录型信号量
- 由于整型信号量未遵循让权等待的准则，进程会一直处于忙等状态
- 在整型信号量的基础上，加入了一个链表指针

伪代码：
```c
wait(semaphore *S)
{
	--S->value;
	if(S->value < 0) block(S->list);
}

signal(semaphore *S)
{
	++S->value;
	if(S->value <= 0) wakeup(S->list);
}
```

### 11.2.3 `AND`型信号量
将整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部分配给进程，待进程使用完后再一起释放，只有尚有一个资源没有分配给进程，其他所有可能为之分配的资源也不分配。

也就是，对于一个进程需要的资源，要么全部分配，要么一个也不分配。

### 11.2.4 信号量集
在`AND`型信号量的基础上，进行扩充，`AND`型每次只能对一个单位资源的申请或释放，而信号量集可以对`n`个单位资源一次性地进行申请或释放，而不是同一操作进行`n`次。


# 12 信号量集应用

## 12.1 实现互斥操作
一般设置`mutex`为互斥信号量，初值为`-1`：

- `mutex=1`表示两个进程都没有使用资源
- `mutex=0`表示已有一个进程使用资源但另一个进程没有使用
- `mutex=-1`表示已有进程使用资源另一进程因等待而阻塞

## 12.2 实现前趋关系
可以利用信号量实现前趋关系。比如：

```bash
p1()
{
	s1;
	signal(a);
	signal(b);
}
p2()
{
	wait(a);
	s2;
}
p3()
{
	wait(b);
	s3;
}
```
在执行`p2`和`p3`之前必须先执行`p1`。

# 13 管程
## 13.1 定义
一个管程定义了一个数据结果和能为并发进程所执行的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

## 13.2 特性
- 每次只有一个进程进入管程
- 管程由四部分组成：名称、局部于管程的共享数据结构说明、对该数据结构进行操作的一组过程、对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
- 模块化：是一个基本程序单位
- 抽象数据类型：数据+对数据的操作
- 信息掩蔽：管程中的数据只能由管程中的过程访问


# 14 进程通信方式

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，一个进程把数据从用户空间拷到内核缓冲区，另一个进程再从内核缓冲区把数据读走，这种机制被称为进程间通信（`IPC`）。

常见的7种`IPC`方式：

- 管道/匿名管道
- 有名管道
- 信号量
- 消息队列
- 信号
- 共享内存
- 套接字

## 14.1 管道/匿名管道
特点：

- 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动，需要双工的时候只能建立两个半双工的管道
- 只能用于父子进程或者兄弟进程之间
- 一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出，写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据

管道的实质：

- 是一个内核缓冲区，进程以`FIFO`方式从缓冲区存取数据
- 可以看做一个循环队列，读写位置都是自动增长的，不能随意改变

管道局限：

- 只支持单向数据流
- 只能用于父子进程或兄弟进程
- 没有名字
- 缓冲区有限
- 传送的内容是无格式字节流，这意味着两个读写管道的进程必须事先约定好数据的格式

## 14.2 有名管道
有名管道与匿名管道的区别在与提供了一个路径名与其关联，以有名管道的形式存在于文件系统中，这样就克服了匿名管道只能与父子进程或者兄弟进程通信的缺点。

值得注意的是，无论是有名管道还是匿名管道都会存在阻塞问题：

- 匿名管道：匿名管道无需打开，创建时直接返回文件描述符，如果写入匿名管道的数据超过最大值，会阻塞写操作，如果管道中没有数据，会阻塞读操作
- 有名管道：有名管道打开的时候，需要确保另一个进程存在，不存在将会阻塞

## 14.3 信号
特点：

- 可以在任何时候发送给某一进程，无需知道进程的状态
- 如果进程未处于执行状态，那么内核会将该进程保存起来直到进程恢复执行并传递给它为止
- 如果进程阻塞，则信号的传递会被延迟，直到其取消阻塞才被传递给进程

信号的生命周期如下：

- 信号被某个进程产生，并设置此信号传递的对象，然后传递给操作系统
- 操作系统根据进程是否阻塞，如果阻塞则先保存信号，直到不阻塞为止，如果没有阻塞则直接传递信号
- 目标进程收到信号后，根据信号进行处理，比如终止当前代码的执行等等

## 14.4 消息队列
消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。与管道（匿名管道存在于内存中，有名管道存在于实际文件中）不同的是，消息队列存放在内核中，只有内核重启或显示本地删除一个消息队列的时候，该消息队列才会被真正删除。

特点：

- 允许一个或多个进程向它写入与读取消息
- 可以实现消息的随机查询，消息不一定要以先进先出的方式读取，也可以按照消息的类型读取
- 消息队列克服了信号承载信息量少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点

目前主要有两种类型的消息队列：`POSIX`消息队列以及`System V`消息队列。

## 14.5 共享内存
共享内存使得多个进程可以直接读写同一块内存空间，是最快的`IPC`方式，针对其他通信机制运行效率低效而设计的。

同时，由于多个进程共享一段内存，因此需要依靠某种同步机制（比如信号量）来达到进程间的同步和互斥。

## 14.6 信号量
信号量是一个计数器，用于多进程对共享数据的访问，信号量的意图在于进程间同步，为了获得共享资源，需要执行以下操作：

- 创建一个信号量：需要调用者指定初始值，通常是共享资源的数量
- 等待一个信号量：会测试这个信号量的值，如果小于0就阻塞，否则将其减1，也叫`P`操作
- 挂出一个信号量：将信号量的值加1，也叫`V`操作

为了保证信号量操作的原子性，通常在内核中实现，`Linux`环境中有三种类型：

- `Posix`有名信号量
- `Posix`基于内存的信号量
- `System V`信号量

## 14.7 套接字
套接字是一种通信机制，通过套接字，客户/服务器系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。

套接字的特性由三个属性确定：

- 域
- 端口号
- 协议类型

### 14.7.1 域
域是套接字通信中使用的网络介质，最常见的域有两种：

- `AF_INET`：指网络，一般用于跨网络通信
- `AF_UNIX`：表示`UNIX`文件系统，就是文件的输入输出

### 14.7.2 端口号
每一个基于`TCP/IP`网络通信的程序都被赋予了唯一的端口和端口号，端口是一个信息缓冲区，用于保留`Socket`中的输入/输出信息。

### 14.7.3 协议类型
三种：

- 流套接字：在域中通过`TCP/IP`连接实现，同时也是`AF_UNIX`常用的套接字类型，流套接字提供一个有序的、可靠的、双向字节流的连接，因此发送的数据可以确保不丢失、重复或乱序到达，而且出错重传机制
- 数据报套接字：不需要建立连接和维持一个连接，在域中通常是通过`UDP/IP`实现，发送数据的长度有限制，数据包可能会出现丢失、复制或错乱到达
- 原始套接字：允许对较低层次的协议直接访问，比如`IP`、`ICMP`协议，换句话说，如果需要发送不是基于`TCP/UDP`协议的数据，必须使用原始套接字

### 14.7.4 套接字建立过程
简单来说，套接字需要服务器先监听一个端口，并循环等待连接，接着客户端进行连接，具体来说，对于服务端：

- 首先通过系统调用`socket`创建一个套接字
- 接着通过系统调用`bind`给套接字起名字
- 再接着系统调用`listen`设置一个监听队列
- 最后通过系统调用`accept`接受客户端的连接

而客户端的过程如下：

- 通过`socket`创建一个未命名的套接字
- 然后将服务器的命名套接字作为一个地址来调用`connect`来与服务器建立连接
- 一旦连接建立就可以实现双向的数据流通信


# 15 线程

## 15.1 线程引入
在引入线程的`OS`中，**线程作为调度和分派的基本单位**（而不是进程作为调度和分派的基本单位）。

## 15.2 线程的三个状态
- 执行状态：获得处理机执行
- 就绪状态：线程已具备各种执行条件，获得`CPU`即可执行
- 阻塞状态：线程在执行中因某事件受阻而处于暂停状态


## 15.3 `TCB`
类似`PCB`，系统为每个线程也分配了一个`TCB`，包含的信息有：

- 线程标识符
- 一组寄存器
- 线程运行状态
- 优先级
- 线程专有存储区
- 信号屏蔽
- 堆栈指针

## 15.4 线程实现方式
### 15.4.1 内核支持线程
`Kernel Supported Threads`，`KTS`，内核支持线程，在内核的支持下运行，创建、阻塞、撤销和切换都是在内核空间实现的，优点如下：

- 多处理器系统中，能够调度同一进程中的多个线程并发执行
- 进程中某一线程如果被阻塞，内核可以调度该进程的其他线程运行，也可以运行其他进程中的线程
- `KTS`具有很小的数据结构和堆栈，线程切换快，开销小
- 内核本身可以采用多线程技术，提高系统的执行速度和效率

缺点：

- 切换开销大，对用户切换线程而言，需要从用户态切换到内核态，系统开销较大

### 15.4.2 用户级线程
`User Level Threads`，`ULT`，用户级线程，在用户空间内实现，对线程创建、撤销、同步与通信无需内核的支持，与内核无关。

优点：

- 线程切换不需要转换到内核空间
- 调度算法可以是进程专用的
- 实现与`OS`无关

缺点：

- 系统调用阻塞：大多数的系统调用会将线程阻塞
- 不能最大化利用线程：单纯的用户级线程实现中，多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点，也就是进程中只能有一个线程运行

### 15.4.3 组合方式
基于上面的两种方式，提出了一种组合的方式，形成了三种不同的模型：

- 多对一模型：将用户线程映射到一个内核线程
- 一对一模型：每一个用户级线程映射到一个内核线程
- 多对多模型：将许多用户线程映射到同样数量或数量更少的内核线程上



## 15.5 线程实现
### 15.5.1 `KTS`实现
- 创建进程时分配一个任务数据区（`Per Task Data Area`），其中包括若干`TCB`空间
- 当进程创建一个线程时，便分配一个`TCB`，并分配必须的资源
- 继续创建线程时继续分配`TCB`

### 15.5.2 `ULS`实现
`ULS`在用户空间实现，所有用户级线程都具有相同的结构，运行在中间系统上，实现中间系统主要有以下两种方式：

#### 15.5.2.1 运行时系统
运行时系统实质是用于管理和控制线程的函数的集合，线程切换通过调用运行时系统的函数来完成，当线程需要资源时，将请求传递给运行时系统，由运行时系统通过相应的系统调用获取资源。

#### 15.5.2.2 内核控制线程
又叫轻型进程`LWP`（`Light Weight Process`），`LWP`可通过系统调用获得内核提供的服务，用户级线程运行时，只需将它连接到一个`LWP`上。

通常把`LWP`做成一个缓冲池，叫“线程池”，用户级线程连接到其中一个`LWP`上，而该`LWP`又与内核级线程连接，这样就可以实现用户级线程与内核无关。

## 15.6 线程创建与终止

线程创建：

- 创建新线程时，利用线程创建函数，并提供相应参数
- 创建完成后返回一个线程标识符

线程终止：

- 通过调用相应函数或系统调用进行终止

## 15.7 线程通信方式
线程之间通信主要是用于同步而不是数据交换，包括：

- 锁机制：包括互斥锁、读写锁、条件变量以及自旋锁
- 信号量机制：包括匿名线程信号量和有名线程信号量
- 信号机制：类似进程中的信号机制
- 使用全局变量


# 16 进程与线程比较
线程又叫轻型进程或进程元，传统进程叫重型进程，下面从几个方面对两者进行比较：

- 调度的基本单位：不引入线程的`OS`中，进程是调度和分派的基本单位，而引入后，线程是调度和分派的基本单位
- 并发性：引入线程后，不同进程之间可以并发执行，同一进程的多个线程也可以并发执行，不同进程的不同线程也可以并发执行
- 资源：进程可以拥有资源，是系统中拥有资源的一个基本单位，而线程本身并不拥有系统资源，只是仅有一点必不可少的线程运行所必须的资源，多个线程能够共享进程所拥有的资源
- 独立性：不同进程的独立性比同一进程的不同线程的独立性要高
- 系统开销：创建/撤销进程所需要的开销远大于创建/撤销线程所需要的开销
- 支持多处理机：传统的单线程进程只能运行在一个处理机上，而多线程进程可以将多个线程分配到多个处理机上

# 17 线程与协程比较
协程是一种轻量级线程，又叫微线程，协程的调度完全由用户控制。特点包括：

- 执行效率高
- 不需要多线程的锁机制

与线程的主要区别在于：

- 线程是同步机制，而协程是异步机制
- 协程能保留上一次调用的状态，每次重入时，将相当于进入上一次调用的状态