【计算机操作系统学习笔记】第二章：进程的描述与控制

前言：

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2.1 前趋图和程序执行……P32

1. 由于程序并发执行时的特征，才在操作系统中引入进程的概念。
2. 前趋图：指一个有向无循环图（不允许有循环），可记为：DAG 。

• 没有前趋的结点称为初始节点。
• 没有后趋的结点称为终止结点。
• 每个节点还有一个重量，用于表示该节点所含有的程序量或程序的执行时间。

3. 程序顺序执行的特征：

• 顺序性。
• 封闭性。（不受外界影响）
• 可再现性。（重复执行的结果都是一样的，无论执行是否流畅）

4. 程序并发执行特征：

• 间断性。
• 失去封闭性。
• 不可再现性。

2.2 进程的描述……P35

1. 资源分配和独立运行的基本单位 都是进程。
2. 进程控制块简称：PCB。
3. 系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程。
4. 由程序段、相关的数据段、PCB三部分构成 进程实体（又称进程映象)。简称：进程。
5. 创建、撤销 进程，实质就是创建、撤销进程中的PCB。
6. 进程的定义：。

• (1)进程是程序的一次执行。
• (2)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。
• (3)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，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

7. 进程的特征：

• PCB结构。
• 动态性。（最基本的）
• 并发性。（OS的重要特征）（ 程序没有建立PCB，所以不能参与并发执行。）
• 独立性。
• 异步性。

8. 进程的三种状态：

• 就绪状态。（排成的队列叫：就绪队列）
• 执行状态。
• 阻塞状态。（又叫暂停状态、等待状态、封锁状态）

三种基本状态的转换：

9. 进程的五种基本状态及转换：

10. 挂起原语 （Suspend） 和激活原语 （Active）。

• 静止就绪状态Readys。
• 静止阻塞状态Blockeds。
• 活动阻塞状态Blockeda。

11. 

12. 进程控制块PCB的作用：

• 作为独立运行基本单位的标志。（系统就是通过PCB感知进程的存在）
• 能实现间断性运行方式。
• 提供进程管理所需要的信息。
• 提供进程调度所需要的信息。
• 实现与其他进程的同步与通信。

13. 进程控制块中的信息

• 进程标识符
• 处理机状态

处理机状态信息也称为处理机的上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。这些寄存器包括:

• ①通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有8~32个通用寄存器，在RISC结构的计算机中可超过100个;
• ②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址;
• ③程序状态字PSW,其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等;
• ④用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。处理机处于执行状态时，正在处理的许多信息都是放在寄存器中。当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便在该进程重新执行时能再从断点继续执行。

• 进程调度信息

在os进行调度时，必须了解进程的状态及有关进程调度的信息，这些信息包括:

• ①进程状态，指明进程的当前状态，它是作为进程调度和对换时的依据;
• ②进程优先级，是用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机;
• ③进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等;
• ④事件，是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。

• 进程控制信息

是指用于进程控制所必须的信息，它包括:

• ①程序和数据的地址，进程实体中的程序和数据的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据;
• ②进程同步和通信机制，这是实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中;
• ③资源清单，在该清单中列出了进程在运行期间所需的全部资源(除CPU以外)，另外还有一张已分配到该进程的资源的清单;
• ④链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。

14. 进程控制块的组织方式

2.3 进程控制……P42

1. OS内核的功能

• 支撑功能。

1. 中断处理。(最基本的）
2. 时钟管理。
3. 原语操作。（* 所谓的原语【Primitive】，就是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。** 原子操作：一个不可分割的基本单位。）

• 资源管理功能。

• 进程管理。
• 存储器管理。
• 设备管理。

2. UNIX具有进程层次结构，Windows不存在任何进程层次结构的概念。而是采用获得句柄与否，控制被控制的简单关系。

3. 进程的创建。

• 申请空白PCB。
• 为新进程分配其运行所需的资源。（包括：各种物理和逻辑资源。如内存、文件、I/O设备、CPU时间。）
• 初始化进程控制块PCB。（包含三步）
• 如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。

4. 引起进程终止的事件。

• 正常结束。
• 异常结束。

1. 越界错。
2. 保护错。
3. 非法指令。
4. 特权指令错。
5. 运行超时。
6. 等待超时。
7. 算术运算错。
8. I/O故障。

• 外界干预。

5. 进程的阻塞与唤醒。
6. 进程的挂起和激活。

2.4进程同步……P47

1. 硬件同步机制

• 关中断。
• 利用Test-and-Set指令实现互斥。
• 利用Swap指令实现进程互斥。

2. 信号量机制

• 整型信号量。（通过原子操作）
• 记录型信号量。
• AND型信号量。
• 信号量集。

3. 信号量的应用

• 利用信号量实现进程互斥。
• 利用信号量实现前趋关系。

4. 管程机制

• Hansan为管程所下的定义是:“一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作， 这组操作能同步进程和改变管程中的数据。”
• 管程由四部分组成:

①管程的名称;
②局部于管程的共享数据结构说明;
③对该数据结构进行操作的一组过程;
④对局部于管程的共享数据设置初始值的语句。

• 管程是一种程序设计语言的结构成分，它和信号量有同等的表达能力，从语言的角度看，管程主要有以下特性:

①模块化，即管程是一个基本程序单位，可以单独编译;
②抽象数据类型，指管程中不仅有数据，而且有对数据的操作;
③信息掩蔽，指管程中的数据结构只能被管程中的过程访问，这些过程也是在管程内部定义的，供管程外的进程调用，而管程中的数据结构以及过程(函数)的具体实现外部不可见。

• 管程和进程不同：

① 虽然二者都定义了数据结构，但进程定义的是私有数据结构PCB,管程定义的是公共数据结构，如消息队列等;
② 二者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序程序执行有关操作，而管程主要是进行同步操作和初始化操作;
③ 设置进程的目的在于实现系统的并发性，而管程的设置则是解决共享资源的互斥使用问题;
④ 进程通过调用管程中的过程对共享数据结构实行操作，该过程就如通常的子程序一样被调用，因而管程为被动工作方式，进程则为主动工作方式;
⑤进程之间能并发执行，而管程则不能与其调用者并发;
⑥进程具有动态性，由“创建”而诞生，由“撤消”而消亡，而管程则是操作系统中的一个资源管理模块，供进程调用。

2.5经典进程的同步问题……P60

1. 生产者——消费者问题

• 利用记录型信号量解决生产者——消费者问题
• 利用AND信号量解决生产者——消费者问题
• 利用管程解决生产者——消费者问题

2. 哲学家进餐问题

• 利用记录型信号量解决哲学家进餐问题
• 利用AND信号量机制解决哲学家进餐问题

3. 读者——写者问题

• 利用记录型信号量解决读者——写者问题
• 利用信号量集机制解决读者——写者问题

2.6 进程通信……P67

1. 进程通信的类型

• 共享存储器系统
• 管道通信系统
• 消息传递系统
• 客户机——服务器系统

2. 消息传递通信的实现方式

• 直接消息传递系统
• 信箱通信

2.7 线程（Threads）的基本概念……P75

1. 线程作为调度和分配的基本单位。
2. 线程控制块TCB

• 如同每个进程有一个进程控制块一样，系统也为每个线程配置了一个线程控制块TCB，将所有用于控制和管理线程的信息记录在线程控制块中。线程控制块通常有这样几项:

① 线程标识符，为每个线程赋予一个唯一的线程标识符;
② 一组寄存器，包括程序计数器PC、状态寄存器和通用寄存器的内容;
③ 线程运行状态，用于描述线程正处于何种运行状态;
④ 优先级，描述线程执行的优先程度;
⑤ 线程专有存储区，用于线程切换时存放现场保护信息，和与该线程相关的统计信息等;
⑥ 信号屏蔽，即对某些信号加以屏蔽;
⑦ 堆栈指针，在线程运行时，经常会进行过程调用，而过程的调用通常会出现多重嵌套的情况，这样，就必须将每次过程调用中所使用的局部变量以及返回地址保存起来。为此，应为每个线程设置一个堆栈，用它来保存局部变量和返回地址。相应地，在TCB中，也须设置两个指向堆栈的指针:指向用户自己堆栈的指针和指向核心栈的指针。前者是指当线程运行在用户态时，使用用户自己的用户栈来保存局部变量和返回地址，后者是指当线程运行在核心态时使用系统的核心栈。

3. 多线程OS中的进程属性

• 进程是一个可拥有资源的基本单位。
• 多个线程可以并发执行。
• 进程已不是可执行的实体。

2.8 线程的实现……P79

1. 线程的实现方式

• 内核支持线程KST

优点：

• 在多处理器系统中，内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行;
• 如果进程中的一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其它线程占有处理器运行，也可以运行其它进程中的线程;
• 内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小;
• 内核本身也可以采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率。

内核支持线程的主要缺点是:

• 对于用户的线程切换而言，其模式切换的开销较大，在同一个进程中，从一个线程切换到另一个线程时，需要从用户态转到核心态进行，这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的，系统开销较大。

• 用户级线程ULT

优点：

• 线程切换不需要转换到内核空间。对一个进程而言，其所有线程的管理数据结构均在该进程的用户空间中，管理线程切换的线程库也在用户地址空间运行，因此进程不必切换到内核方式来做线程管理，从而节省了模式切换的开销。
• 调度算法可以是进程专用的。在不干扰OS调度的情况下，不同的进程可以根据自身需要选择不同的调度算法，对自己的线程进行管理和调度，而与OS的低级调度算法是无关的。
• 用户级线程的实现与OS平台无关，因为对于线程管理的代码是属于用户程序的一部分，所有的应用程序都可以对之进行共享。因此，用户级线程甚至可以在不支持线程机制的操作系统平台上实现。

主要缺点则在于:

• 系统调用的阻塞问题。在基于进程机制的OS中，大多数系统调用将使进程阻塞，因此，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被阻塞，而且，进程内的所有线程会被阻塞。而在内核支持线程方式中，则进程中的其它线程仍然可以运行。
• 在单纯的用户级线程实现方式中，多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点，内核每次分配给个进程的仅有 个CPU,因此，进程中仅有一个线程能执行，在该线程放弃CPU之前，其它线程只能等待。

• 组合方式

End :

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**** 小白上路 **** **** 多多关照 **** ******* **** 完于 2020.3.17 周二14点 ****