操作系统学习（四） —— 进程控制和一些具体例子

学习材料：计算机操作系统（第2版，人民邮电出版社）

一、进程控制

概念：是对系统中的所有进程实施有效的管理，是处理机管理功能的一部分。为了实现共享，协调并发进程的关系。进程管理的功能应包括：进程控制、进程调度、实现进程之间的同步协调和通信。

1）进程创建

• 系统启动时，创建并产生一些必须的、承担系统资源分配的管理工作的系统进程。
• 用户进程，用户在程序提交给系统时创建的。
• 进程创建也是进程管理的基本功能之一。用户不能直接创建进程，只能通过操作系统提供进程创建原语，以系统请求方式向操作系统申请一个进程。

2）进程撤销

功能：

撤销本进程，撤销一个指定标识符的进程或撤销一组子进程。

过程：

• 由运行指针得到当前进程的PCB。
• 释放本进程所占用的资源给父进程。
• 释放此PCB结构。
• 转进程调度。

3）进程阻塞与唤醒

进程阻塞：进程需要等待某一时间完成时，调用阻塞原语将自己挂起。进程一旦被挂起，它只能由另一个进程唤醒。也就是，先停止调用进程的执行，将CPU现场保留到该进程的PCB现场保护区（也即完成了多少工作，将其保存），改变其状态为等待，并插入等待队列。最后使控制转向进程调度。
本质：进程需要等待某一资源，指令无法继续执行，此时将进程挂起，调度其他进程。
进程唤醒：当进程等待的事件发生时，唤醒等待该事件的进程。
进城唤醒的步骤：

• 将该进程移出等待队列。
• 置进程状态为就绪。
• 将进程PCB插入就绪队列。

4）进程约束关系

分两种情况：
1.竞争系统资源而引起的间接相互制约关系。
2.进程之间存在共享数据而引起的直接相互制约关系。

重点：进程互斥

临界资源：通常把一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。一般输入机，打印机等都有这种性质。
临界区：每个进程中，访问该临界资源的那段程序称为临界区。是进程对公共变量或存储区进行访问与修改的程序段。

上面那些满足条件的进程进入临界区必须互斥！

互斥：多进程对公共存储区这样的临界资源有这样的恩特店，共享的各方不能同时读写同一数据区，只有当一方读写完毕后，另一方才可以读写。这种进程的制约关系称之为互斥。

重点：进程同步

概念：相互合作的一组并发进程。在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通消息称为进程同步。

重点：同步机构

• 首先，锁。包含上锁和开锁两种操作。锁就是一个物理实体，采用一个标志（上锁开锁标志）代表某种资源的状态或并发程序当前的状态。
  锁同步机构中，每一个共享的临界资源都要有一个单独的锁位。“0”表示资源可用，“1”表示资源被占用。
  进程使用共享资源之前必须完成如下操作：
  1）检测锁位的值。 2）如果原来的值为0，将锁位置置1 。 3）如果原来为1，返回1再考察（有一定时间间隔），不是立即。
  使用完资源后，将锁置0，称为开锁。

• PV操作。S为可用资源。
  P操作：1）S--，相当于占用了一个资源。2）减完大于等于0，进程继续执行（相当于还有资源或资源刚好够用）。3）小于0（缺少资源，等待），该进程被封锁，并将它插入到该信号灯的等待队列中，转入调度。
  V操作：1）s++，提供一个资源。 2）相加结果大于0，进程继续执行。 3）相加结果小于或等于0，等待队列移出一个进程（它获得了刚释放出来的资源）。然后返回本进程继续执行。

进程同步的两个例子：

一、病员就诊：

• 分为看病进程，化验进程。
• 首先看病进程执行一部分，开出化验单，转入化验进程。
• 化验进程化验完毕得到化验结果，并发送给看病进程转入，否则必须等待。

我们用PV操作来实现，首先先要理解的是，下面的程序是需要来回转入转出的，不是一个程序执行到底，这也体现了进程同步的概念。
下面是伪代码：

main()
{
    int s1=0;//信号灯1，表示看病进程，也可以理解为有无化验单
    int s2=0;//信号灯2，表示化验进程，也可以理解为有无化验结果
    cobegin
        labora();
        diagnosis();
    coend
}
labora()
{
    while(化验工作未完成)
    {
        p(s1);
        化验工作;
        v(s2);
    }
}
diagnosis()
{
    while(看病工作未完成)
    {
         看病;
         v(s1); //看完病才会提供化验单
         p(s2);
         diagnosis;
     }
} 

解读：

• 首先执行labora()，缺少s1，挂起。
• 进入diagnosis()，执行看病，看完病v(s1)提供化验所需要的资源（可以理解为提供了化验单，化验工作才能进行）。
• p(s2)，s2是化验进程，可以理解为缺少化验进程完的结果，所以挂起，执行labora()。
• 执行化验工作，然后提供化验结果（即提供了v(s2)）。
• 化验进程结束，转入诊断进程，执行p(s2)，可以理解为获得了化验进程的结果才能诊断，最后进程完成。

生产者——消费者问题

概念：简单地来说，就是有一块公用缓冲区，生产者生产资源，将资源放置到缓冲区去，而消费者读消息进程， 从缓冲区提取资源。
设置：公用缓冲区是临界资源，因此设置三个信号灯empty,full,mutex，分别表示空缓冲区（默认为缓冲区大小n），满缓冲区（初始为0），以及互斥信号灯，占用时为1，占用后为0。

//生产者和消费者操作过程中的伪代码：
producer()
{
    while(生产未完成)
    {
         ……
         生产一个产品；
         p(empty);
         p(mutex);
         送到有界缓冲区;
         v(mutex);
         v(full);
    }
}
consumer()
{
    while（还要继续消费）
    {
        p(full);
        p(mutex);
        从有界缓冲区取产品;
        v(mutex);
        v(empty);
        ……
        消费一个产品;
    }
}

试想：如果把生产者前两行申请占用资源的代码换一下，会发生什么情况？
提示：死锁。