【操作系统】第二章--进程的描述与控制--笔记与理解(1)

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【操作系统】第二章–进程的描述与控制–笔记与理解(1)

前驱图和程序执行

前趋图

• A→B：B开始执行之前A必须完成 (A,B)∈→

程序顺序执行

• 特征：
  1. 顺序性：处理机严格按程序规定顺序执行，每一个操作在下一个操作前结束
  2. 封闭性：程序在封闭环境下运行，程序一旦执行，其执行结果不受外界影响
  3. 可再现性：只要程序执行的环境与初始条件相同，则获得相同结果

程序并发执行

• 特征：
  1. 间断性：相互制约将导致并发程序具有“执行→暂停→执行”的间断性
  2. 失去封闭性：多个并发程序，各种资源为其共享，任一程序运行，环境受其他程序影响，此时程序运行失去封闭性
  3. 不可再现性：由于失去封闭性，导致同时失去可再现性

进程的描述

进程的定义和特征

1. 进程的定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
2. 进程的特征：
   1. 动态性：进程的实质是进程实体的执行过程，由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡
   2. 并发性：多个进程实体同时存在于内存中，且能在一段时间内同时运行
   3. 独立性：进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位
   4. 异步性：进程是按各自独立的、不可预知的速度向前推进的

进程的基本状态及转换

1. 进程的三种基本状态：
   1. 就绪状态：已分配除CPU的所有资源(就绪队列)
   2. 执行状态：进程已获CPU，其程序正在执行的状态(一对一，多对多)
   3. 阻塞状态：正执行进程因某事咱是无法继续执行的状态，OS把处理机分配给另一个就绪进程(阻塞队列)
2. 创建状态和终止状态：
   1. 创建状态：保证进程的调度必须在创建工作完成后进行，确保对进程控制的操作完整性，同时增加了管理灵活性
   2. 终止状态：等待OS进行善后处理，将其PCB清零，并将PCB空间返还给系统，进入终止状态的进程不能再执行，但OS仍做保留记录
   3. 
3. 挂起操作和进程状态的转换
   1. 挂起操作的引入：
      1. 终端用户的需要
      2. 父进程的请求
      3. 负荷调节的需要
      4. 操作系统的需要
4. 进程管理中的数据结构
   1. 操作系统中用于管理控制的数据结构：包括标识、描述、状态和指针
   2. 进程控制块PCB的作用：用于描述进程的当前情况以为及管理进程运行的全部信息，是操作系统中最重要的记录型数据结构
      1. 作为独立运行基本单位的标志
      2. 能实现间断性运行方式
      3. 提供进程管理所需要的信息
      4. 提供进程调度所需要的信息
      5. 实现与其他进程的同步与通信
   3. 进程控制块中信息
      1. 进程标识符：外部标识符方便用户对进程访问，内部标识符方便系统
      2. 处理机状态：通用寄存器用于暂存信息用户可以访问，指令计数器存放下一条指令的地址，程序状态字PSW含状态信息等，用户栈指针
      3. 进程调度信息：进程状态，进程优先级，进程调度所需其他信息，事件
      4. 进程控制信息：程序和数据地址，进程同步和通信机制，资源清单链接指针给出此PCB所在队列下一个进程PCB的首地址
   4. 进程控制块的组织方式
      • 

进程控制

• 一般由OS内核中的原语来实现

操作系统内核

• 一些与硬件紧密相关的模块，各种常用设备的驱动程序以及频率较高的模块，安排在紧靠硬件的软件层次中，将他们常驻内存
• 安排方式的目的：
  1. 便于对这些软件进行保护
  2. 提高OS的运行效率
  • 系统态/管态/内核态：较高的特权，执行一切指令，访问所有寄存器存储区
  • 用户态/目态：较低的特权，仅能执行规定的指令，访问指定寄存器存储区

1. 支撑功能：
   1. 中断处理：是内核最基本的功能，是整个操作系统赖以活动的基础
   2. 时钟管理：是内核的一项基本功能，OS中许多活动都需要得到他的支持
   3. 原语操作：由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程
2. 资源管理功能：
   1. 进程管理：将它们放在内核中，以提高OS的性能
   2. 存储器管理：以保证存储器管理具有较高的运行速度
   3. 设备管理：用于实现设备分配和设备独立性功能的模块等

进程的创建

1. 进程的层次结构：允许一个进程创建另一个进程，把创建进程的进程称作父进程，把被创建的进程称作子进程
2. 进程图：树状，根结点为相应叶子结点的父进程，同理：相应叶子结点为根结点的父进程
3. 引起创建进程的事件：为使进程之间能并发执行，应先为其创建进程
   1. 用户登录：若登陆成功，系统将为用户建立一个进程，并把它插入到就绪队列中
   2. 作业调度：多道批处理系统中，调度到作业便装入内存，为他们创建进程，并插入到就绪队列中
   3. 提供服务：当运行中的用户程序提出某种请求后，系统将专门创建一个进程来提供用户所需要的服务
   4. 应用请求：由用户进程自己创建新进程，以便使新进程以同创建者进程并发运行的方式完成特定任务
4. 进程的创建：调用进程创建原语Create进行创建
   1. 申请空白PCB：申请获得唯一的数字标识符，从PCB集合索取空白PCB
   2. 分配其运行所需资源：
      1. 对于批处理作业其大小可在用户提出创建进程要求时提供
      2. 为应用进程创建子进程应在该进程提出请求中给出所需内存的大小
      3. 对于交互型作业，可不给出内存要求，由系统分配一定的空间
   3. 初始化进程控制块PCB：标识信息，处理机状态信息，处理机控制信息
   4. 若进程就绪队列可接纳新进程，插入就绪队列

进程的终止

1. 引起进程终止的事件：
   1. 正常结束
   2. 异常结束：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
   3. 外界干预：操作员/操作系统干预，父进程请求，因父进程终止
2. 进程的终止过程：发生了要求终止进程的某事件，OS调用进程终止原语
   1. 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该PCB，读出该进程状态
   2. 执行状态：立即终止进程执行，置调度标志为真(指示进程被终止后应重新进行调度)
   3. 子孙进程均终止(防止成为不可控进程)
   4. 所有资源归还给父进程或系统
   5. PCB从所在链表/队列中移出

进程的阻塞与唤醒

1. 引起进城阻塞与唤醒的事件：
   1. 向系统请求资源失败
   2. 等待某种操作的完成
   3. 新数据尚未到达
   4. 等待新任务的到达
2. 进程阻塞过程：阻塞是进程自身的一种主动行为
   1. 立即进行停止执行，把进程控制块中的现行状态由“执行”改为“阻塞”并将PCB插入阻塞队列
   2. 转调度程序进行重新调度(保留被阻塞进程的处理机状态，按新PCB处理状态设置CPU的环境)
3. 进程唤醒过程：
   1. 从等待该事件的阻塞队列中移出
   2. 将其PCB中的现行状态由“阻塞”改为“就绪”
   3. 将该PCB插入到就绪队列中

进程的挂起与激活

1. 进程的挂起：
   1. 检查被挂起进程状态：活动就绪→静止就绪，活动阻塞→静止阻塞
   2. 为方便考察进程状态，PCB复制到指定内存区域
   3. 若被挂起进程正在执行，转向调度程序重新调度
2. 进程的激活过程：
   1. 与上述转换相反
   2. 优先级比较，高于则立即剥夺当前进程的运行，把进城分配给刚刚被激活的进程

进程同步

进程同步的基本概念

1. 两种形式的制约关系：
   1. 间接相互制约关系：由系统实施统一分配，即用户要使用前，应先提出申请，不允许用户进程直接使用
   2. 直接相互制约关系：源于为完成某任务而相互合作的两个或多个进程
2. 临界资源：为了预防产生“失去再现性”这种错误，应把一些变量作为临界资源处理，即各进程互斥地访问该变量
3. 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
4. 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

硬件同步机制

• 为防止多个进程同时测试到锁开，故测试和关锁为连续的
• 关中断：不响应中断，不引发调度，不发生进程/线程切换，保持测试关锁的连续性与完整性，保证了互斥
  • 缺点：
    1. 滥用权力可能导致严重后果
    2. 关中断时间过长，会影响系统效率，限制处理机交叉执行程序的能力
    3. 不适用于多CPU系统，在一个处理机上关中断不能防止其他处理机执行相同的临界段代码

信号量机制

1. 信号量定义：信号量(或叫信号灯)由信号量的值和指向 PCB 的指针两部分组成
2. 信号量的物理意义：
   1. 信号量初值为非负的整数变量，代表资源数
   2. 信号量的值大于０：表示当前资源可用数量
   3. 信号量的值小于０：其绝对值表示等待使用该资源的进程个数
   4. 信号量值可变，但仅能由Ｐ、Ｖ操作来改变
3. P、V 操作原语
   • P 操作原语 P(S)：
     1. Ｐ操作一次，S 值减１，即 S=Ｓ-１(请求分配一资源)
     2. 如果 S≥０，则该进程继续执行；如果Ｓ＜０表示无资源，则该进程的状态置为阻塞态，把相应的 PCB连入该信号量队列的末尾，并放弃处理机，进行等待(直至另一个进程执行 V(S)操作)
   • V 操作原语 V(S)：
     1. V 操作一次，S 值加 1，即 S＝Ｓ+１(释放一个单位量资源)
     2. 如果 S＞0，表示有资源，则该进程继续执行如果S≤0，则释放信号量队列上的第一个PCB所对应的进程(阻塞态改为就绪态),执行 V 操作的进程继续执行。