操作系统第二章进程的描述与控制

第二章进程的描述与控制

前驱图和程序执行

程序并发执行

程序的并发执行

程序并发执行时的特征

• 间断性
• 失去封闭性
• 不可再现性

进程的描述

进程的定义

• 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，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程的特征

• 动态性
• 并发性
• 独立性
• 异步性

从操作系统角度分类

• 系统进程
• 用户进程

进程和程序的区别

• 进程是动态概念，而程序则是静态概念
• 程序是指令的有序集合，永远存在；进程强调是程序在数据集上的一次执行，有创建有撤销，存在是暂时的；
• 进程具有并发性，而程序没有
• 进程可创建其他进程，而程序并不能形成新的程序
• 进程是竞争计算机资源的基本单位，程序不是

进程和程序的联系

• 进程是程序在数据集上的一次执行
• 程序是构成进程的组成部分，一个程序可对应多个进程，一个进程可包括多个程序
• 进程的运行目标是执行所对应的程序
• 从静态看，进程由程序、数据和进程控制块（PCB）组成

进程的基本状态及转换

• 进程的三种基本状态
  • 就绪状态ready
  • 执行状态running
  • 阻塞状态block
• 三种基本状态的转换
• 创建状态和终止状态
  • 五状态进程模型
• 注意
  • 阻塞态->运行态和就绪态->阻塞态这二种状态转换不可能发生

挂起操作和进程状态的转换

• 挂起和阻塞的区别
• 挂起操作的目的
  • 终端用户的需要: 修改、检查进程
  • 父进程的需要：修改、协调子进程
  • 对换的需要：缓和内存
  • 负荷调节的需要：保证实时任务的执行
• 关键图

进程管理中的数据结构

• 进程控制块PCB的作用
  • 作为独立运行基本单位的标志
  • 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
• 进程控制块的信息
  • 进程标识符
    • 外部标识符PID
    • 内部标识符(端口)
  • 处理机状态
    • 通用寄存器
    • 指令计数器
    • 程序状态字PSW
    • 用户栈指针
  • 进程调度信息
    • 进程状态
    • 进程优先级
    • 进程调度所需的其他信息
    • 事件
  • 进程控制信息
    • 程序和数据的地址
    • 进程同步和通信机制
    • 资源清单
    • 链接指针
  • 进程控制块的组织方式
    • 线性方式
    • 链接方式
    • 索引方式

进程控制

操作系统内核

• 两大功能
  • 支撑功能
    • 中断管理
    • 时钟管理
    • 原语操作
      • 进程的管理，由若干原语（primitive）来执行
  • 资源管理功能
    • 进程管理
    • 存储器管理
    • 设备管理
• 状态
  • 系统态，管态，内核态
  • 用户态，目态

进程的创建

• 进程的层次结构
  • 父进程
  • 子进程
• 引起创建进程的事件
  • 用户登录
  • 作业调度
  • 提供服务
  • 应用请求
• 进程的创建过程
  • 1.申请空白PCB
  • 2.为新进程分配其运行所需的资源
  • 3.初始化进程块PCB
  • 4.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
• 进程的终止
  • 引起进程终止的事件
    • 1.正常结束
    • 2.异常结束
    • 3.外界干预
  • 进程的终止过程
    • 1.根据被终止进程的标识符
• 进程的阻塞与唤醒
  • 引起进程阻塞和唤醒的事件
    • 请求系统服务而未满足
    • 启动某种操作而阻塞当前进程
    • 新数据尚未到达
    • 无新工作可做：系统进程
  • 进程阻塞过程(自己阻塞自己)
  • 进程唤醒过程(系统或其他进程唤醒自己)
• 进程的挂起与激活
  • suspend
  • active

进程同步

• 基本概念
  • 两种形式的制约关系
    • 间接相互制约关系
      • 互斥——竞争
    • 直接相互制约关系
      • 同步——协作
  • 临界资源
  • 分区
    • 进入区enter section
    • 临界区critical section
    • 退出区exit section
    • 剩余区remainder section
  • 同步机制应遵循的规则
    • 1.空闲让进
    • 2.忙则等待
    • 3.有限等待
    • 4.让权等待
• 进程同步机制
  • 软件同步机制:都没有解决让权等待，而且部分方法还会产生死锁的情况
  • 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
  • 信号量机制
    • 整型信号量
    • 记录型信号量
      • 由于整型信号量没有遵循让权等待原则，记录型允许负数，即阻塞链表
    • AND型信号量
    • 信号量集
      • 理解:AND型号量的wait和signal仅能对信号施以加1或减1操作，意味着每次只能对某类临界资源进行一个单位的申请或释放。当一次需要N个单位时，便要进行N次wait操作，这显然是低效的，甚至会增加死锁的概率。此外，在有些情况下，为确保系统的安全性，当所申请的资源数量低于某一下限值时，还必须进行管制，不予以分配。因此，当进程申请某类临界资源时，在每次分配前，都必须测试资源数量，判断是否大于可分配的下限值，决定是否予以分配
      • 操作
        • Swait(S1，t1，d1…Sn，tn，dn)
        • Ssignal(S1，d1…Sn，dn)
      • 特殊情况
• 经典进程的同步问题
  • 生产者–消费者问题
  • 哲学家进餐问题
  • 读者–写者问题

进程通信

进程通信是指进程之间的信息交换，又称低级进程通信

进程通信的类型

• 共享存储器系统
  • 基于共享数据结构的通信方式
    • 生产者和消费者
  • 基于共享存储区的通信方式
    • 高级通信
• 管道通信系统(pipe)
  • 高级通信
• 消息传递系统
  • 高级通信
  • 方式分类
    • 直接通信
    • 间接通信
• 客服机–服务器系统

消息传递通信的实现方式

• 直接消息传递系统
• 信箱通信

线程的基本概念

线程的引入

• 线程的引入正是为了简化线程间的通信，以小的开销来提高进程内的并发程度
• 多线程并发的不足
  • 进程的两个基本属性
    • 一个拥有资源的独立单位，可独立分配系统资源
    • 一个可独立调度和分派的基本单位，PCB
  • 程序并发执行所需付出的时空开销
    • 创建进程
    • 撤销进程
    • 进程切换
  • 进程间通信效率低
  • 将分配资源和调度两个属性分开
• 线程——作为调度和分派的基本单位
  • 进程是系统资源分配的单位，线程是处理器调度的单位
  • 线程表示进程的一个控制点，可以执行一系列的指令。通常，和应用程序的一个函数相对应
  • 进程分解为线程还可以有效利用多处理器和多核计算机

线程与进程的比较

• 不同点
  • 调度的基本单位
  • 并发性
• 相似点
  • 状态：运行、阻塞、就绪
  • 线程具有一定的生命期
  • 进程可创建线程，一个线程可创建另一个子线程
  • 多个线程并发执行时仍然存在互斥与同步

线程的实现

• 线程的实现方式
  • 内核支持线程KST
  • 用户级线程ULT
  • 组合方式
• 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
  • 多个线程可并发执行
  • 进程已不是可执行的实体
• 线程的状态和线程控制块
  • 线程运行的三个状态
    • 执行状态
    • 就绪状态
    • 阻塞状态
  • 线程控制块TCB
    

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