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title: "《操作系统》进程与线程"
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date: 2023-07-01T15:59:00+08:00
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## 线程
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### 常考知识点
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* 交换数据
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* 进程之间不能直接交换数据，但可以利用OS提供的共享文件（管道），信息传递系统，共享存储区来进行通信
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* 全局变量是针对一个进程而言的，不同的进程拥有不同的代码和数据段，不能通过全局变量来交换进程间数据
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* 临界资源一次只能为一个进程所用
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* 进程的特性
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* 进程失去封闭性（进程执行的结果之只取决于进程本身）后，不同速度下的执行结果不同
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* 进程被建立后，随着进程运行的正常或不正常而撤销
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* 进程不是一个完整的程序
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* 进程是动态的，程序是静态的
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* 进程是暂时的，程序是永久的
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* 进程至少由代码、数据、PCB组成，程序仅需要代码和数据
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* 一个进程是程序在一个数据集上的一次运行过程；运行于不同的数据集，会形成不同的进程
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* 进程与进程的关系
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* 进程与进程之间完全隔离，线程与线程之间没有隔离
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* 一个进程的状态变化可能引起另一个进程的状态变化
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* 如大衣呢进程结束后可能改变另一个等待打印机的进程
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* 各种状态
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* 死锁的进程位于阻塞态，不可能所有进程都处于就绪态，但可以所有的进程都处于阻塞态（死锁的时候）
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* 就绪队列进程的多少与处理器的效率无关，只有当就绪队列为空时，CPU进入等待态，CPU效率下降
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* 进程里的各种信息
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* 正文段
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* 存放二进制代码，常量
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* 全局赋值变量，常量值123
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* 数据堆段
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* 动态分配的存储区
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* malloc动态分配的存储区
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* 数据栈段
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* 临时使用变量
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* 未赋值的局部变量，函数调用实参传递值
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### 进程概念与特征
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* 进程
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* 定义
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* 进程是程序的一次执行过程
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* 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
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* 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
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* 特征
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* 动态性
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* 并发性
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* 独立性
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* 异步性
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* 引入进程原因
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* 使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量
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* 其他考点
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* 进程实体/进程映像 = PCB+程序段+相关数据段
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* 进程映像是静态的，进程是动态的，程序是静态的
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* 进程控制块（PCB）是进程的唯一标志
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* 系统资源 = 处理机，存储器和其他设备服务于某个进程的时间【系统资源类似于处理机的时间片】
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### 进程的状态与切换
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* 五种状态
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* 运行态Running 该进程占用CPU
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* 就绪态Ready 进程获得了除处理机外的一切所需资源，一旦得到处理机就可以立即运行
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* 阻塞态Blocked 该进程正在等待某一事件发生而暂停运行，即使给他CPU控制权，它也无法运行
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* 创建态 New 进程正在被创建时的状态
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* 结束态Exit 进程正在从系统中消失时的状态
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* 进程转换
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* 就绪态$\to$运行态
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* 进程被调度，获得处理机资源（分派处理机时间片）
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* 运行态$\to$就绪态
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* 时间片用完后，不得不让出处理机
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* 可剥夺的OS中，当有更高优先级的进程就绪时，调度程序将正在执行的进程转换为就绪态
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* 运行态$\to$阻塞态
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* 进程请求某一资源（外设）的使用和分配时
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* 等待某一事件的发生时（I/O操作的完成）
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* 进程以系统调用的方式请求OS提供服务，这个过程系统从用户态转换为核心态
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* 该过程为主动行为
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* 阻塞态$\to$就绪态
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* I/O操作结束或中断结束时
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* 该过程为被动行为，需要其他相关进程的协助
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### 进程的控制结构/数据结构
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* PCB
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* 进程存在的唯一标识
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* 一个进程的存在，必然会有一个PCB，如果进程消失了，PCB也会随之消失
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* PCB包含信息
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* 进程描述信息
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* 进程标识符PID：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符
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* 用户标识符UID：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务
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* 进程控制和管理信息
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* 进程当前状态：如new、ready、running、waiting、blocked等
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* 进程优先级：进程抢占CPU时的优先级
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* 资源分配清单
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* 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息
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* 所打开文件的列表和所使用的I/O设备信息
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* CPU相关信息
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* CPU中各个寄存器的值
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* 进程被切换时，CPU的状态信息都会被保存在相应的PCB中以便进程重新执行时，从断点处继续执行
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* 组织PCB
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* 链接方式
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* 把统一状态的PCB链成一个队列，不同状态对应不同队列
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* 把处于阻塞态的进程的PCB，根据阻塞原因，排成多个阻塞队列
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* 索引方式
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* 把统一状态的进程组织在一个索引表中
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* 如就绪索引表，阻塞索引表
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* 程序段
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* 能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段
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* 程序可以被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序
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* 数据段
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* 可以是进程对应的程序加工处理的原始数据
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* 可以是程序执行时产生的中间或最终结果
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### 进程控制
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* 创建
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* 定义和过程
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* 允许一个进程创建另一个进程
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* 允许子进程继承父进程所拥有的资源
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* 创建进程的过程：
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* 申请一个空白的PCB，并向PCB中填写一些控制和管理进程的信息，比如进程的唯一标识等
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* 为该进程分配运行时所必需的资源，如内存资源
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* 将PCB插入到就绪队列，等待被调度运行
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* 对应事件
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* 中断登陆系统，作业调度
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* 系统提供服务
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* 用户程序的应用
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* 设备分配不需要创建进程
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* 终止
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* 定义和过程
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* 有3种终止方式：正常结束，异常结束以及外界干预
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* 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
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* 当父进程被终止时，该父进程的子进程就变为孤儿进程
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* 终止进程的过程
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* 查找需要终止的进程的PCB
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* 如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将CPU资源分配给其他进程
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* 如果还有其他子进程，则将该进程的子进程交给1号进程接管
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* 将该进程所拥有的全部资源都归还给操作系统
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* 将其从PCB所在队列中删除
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* 对应事件
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* 正常结束
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* 异常结束
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* 外界干预
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* 阻塞
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* 定义和过程
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* 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
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* 一旦被阻塞等待，只能由另一个进程唤醒
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* 阻塞进程的过程
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* 找到将要被阻塞进程标识号对应的PCB
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* 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
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* 将该PCB插入到阻塞队列中去
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* 对应事件
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* 请求系统资源失败
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* 等待某种操作的完成
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* 新数据尚未到达或无新任务可做
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* 唤醒
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* 定义和过程
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* 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
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* 处于阻塞状态的进程是绝对不可能自我唤醒
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* 如果某进程正在等待I/O事件，需由别的进程发消息给它
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* 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
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* 唤醒进程的过程
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* 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的PCB
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* 将其从阻塞队列中移出，重置状态为就绪状态
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* 把该PCB插入到就绪队列中，等待调度程序调度；
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* 对应事件
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* 释放I/O设备的进程
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* 提供数据的进程
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### 进程的通信
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* 定义
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* 进程通信是指进程之间的信息交换
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* 低级通信方法
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* PV操作
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* 高级通信方法
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* 共享存储，如共享内存，共享文件系统
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* 信息传递，需要发送消息和接受消息两个原语
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* 管道通信
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* 需要满足的能力 = 互斥+同步+确定对方的存在
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* 缓冲区只允许一边写入，另一边读出，所以管道只能采用半双工通信
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* 管道是一种文件，所以两个进程可以通过文件系统交换数据
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* 共享存储：进程$\leftrightarrows$共享空间$\leftrightarrows$进程
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* 信息传递：进程$\leftrightarrows$进程
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* 管道通信：进程$\leftarrow$缓冲区$\leftarrow$进程$\rightarrow$缓冲区$\rightarrow$进程
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### 进程的上下文切换
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* 上下文
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* 上下文是指某一时刻CPU寄存器和PC的内容
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* 进程上下文切换
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* 上下文切换时指一个进程切换到另一个进程的过程
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* 上下文切换的实质
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* 上下文切换实质是处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中，进程的运行环境产生了实质性的变化
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* 上下文切换的消耗
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* 有些处理器提供多个寄存器组，上下文切换指需要简单改变当前寄存器组的指针
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* 上下文切换的场景
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* 某个进程时间片耗尽时
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* 进程在系统资源不足时，要等到资源满足后才可以运行
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* 进程通过sleep将自己挂起
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* 由优先级更高的基础运行时
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* 发送硬件中断时
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* 上下文切换的流程
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* 挂起一个进程，保存CPU上下文，包括PC和其他寄存器
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* 更新PCB信息
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* 把进程的PCB移到相应的队列
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* 加载另一个进程执行，更新其PCB
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* 跳转到新进程PCB中的PC所指向的位置执行
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* 恢复处理机上下文
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* 调度和切换的区别
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* 先有资源的调度，才有进程的切换
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* 调度：决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为
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* 切换：实际分配的行为，是一种执行行为
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## 线程
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### 常考知识点
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* 关于线程的特征
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* 线程是处理机调度的基本单位，可以独立执行程序
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* 没有相同的进程，但是调用在不同进程中的线程可以相同
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* 关于线程可共享的东西
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* 线程没有自己独立的地址空间，每个线程只拥有自己的独立的栈空间
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* 线程之间可以共享进程的资源（如代码段，堆空间，数据段，打开的文件）
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* 线程之间不能共享虚拟地址空间，线程之间不能共享栈指针
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* 线程的并行与并发
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* 同一进程或不同进程内的线程都可以并发执行
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* 进程之间可以并发但不可以并行，同一进程之间的线程可以并行
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* 其他
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* 键盘驱动程序不能体现多线程系统的特点，因为计算机一般只有一个键盘
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### 进程与线程的比较
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|是什么的单位|是资源分配的基本单位|是调度的基本单位|
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|不能共享什么|不能共享虚拟地址空间|不能共享栈指针|
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|可以共享什么|拥有一个完整的资源平台，每个进程都有独立的地址空间和资源，除了共享全局变量，不允许其他进程访问|某进程中的线程对其他进程不可见，线程共享进程的地址空间和资源，线程自己没有独立的地址空间，只共享必不可少的资源，如寄存器和栈|
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|进程切换会引起什么|不同进程的线程的切换会引起进程切换|同一进程的线程的切换不会引起进程切换|
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|创建、终止、切换时间|慢|快|
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|数据交换效率|低|各线程间共享内存和文件资源，数据交换效率高|
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### 线程的概念与特征
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* 定义
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* 线程是进程当中的一条执行流程
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* 线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间
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* 线程自己不拥有系统资源，但可与同属一个进程的程序共享进程所有的资源
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* 线程同样具有三种基本状态：运行态+阻塞态+就绪态
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* 为什么引入线程
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* 减少程序在并发执行过程中所付出的时空开销，提高操作系统的并发能力
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* 引入线程提高系统并发性原因
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* 线程可以导致平均每次切换所需开销变少，使更多线程参与并发
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### 线程组成和控制
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