Chapter 2 进程的描述和控制

2.1 前趋图和程序执行

2.1.1 前趋图

• 前趋图是指一个有向无循环图，用于描述进程之间执行的先后顺序
• 图中的每一个结点可用来表示一个进程或者程序段
• 结点间的有向边则表示两个结点之间存在的前趋关系

2.1.2 程序顺序执行

• 程序的顺序执行：程序在执行时都需要按照某种先后次序顺序执行
• 程序顺序执行时的特征：顺序性、封闭性、可再现性

2.1.3 程序并发执行

• 在系统中引入多道程序技术，使程序或程序段间能并发执行
• 只有在不存在前趋关系的程序之间才能进行并发执行
• 程序并发执行时的特征：间断性、失去封闭性、不可再现性

2.2 进程的描述

2.2.1 进程的定义和特征

• 为了使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立地运行，在操作系统中必须为之分配一个专门的数据结构，称为进程控制块（Process Control Block）
• 利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程
• 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
• 进程的特征包括以下：
  • 动态性：最基本的特征，进程实体有一定的生命期限
  • 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
  • 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
  • 异步性：进程按照异步方式进行

2.2.2 进程的基本状态及转换

• 进程的三种基本状态：进程在运行规程中呈现间断性的运行规律
  • 就绪状态（ready）进程处于准备好的状态，已分配到除了CPU以外的所有资源，如果系统中有许多处于就绪状态的进程，通常将它们排成一个就绪队列
  • 执行状态（running）指进程已经获得CPU，其程序正在执行的状态。对任意一个时刻，对于单处理机系统中，只有一个进程处于执行状态。

• 阻塞状态（block）指正在执行的进程由于发生某事件暂时无法继续执行时的状态。此时引起进程调度，OS把处理机分配给另一个就绪进程，而让受阻进程处于暂停状态。
• 状态创建和终止状态
  • 创建状态
    1. 首先由进程申请一个空白PCB，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息
    2. 然后为该进程分配运行时所必需的资源
    3. 最后把该进程转入就绪状态并插入到就绪队列之中
  • 终止状态
    1. 首先是等待操作系统进行善后处理
    2. 最后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统

2.2.3 挂起状态和进程状态的转换

• 为了用户和系统观察和分析进程需要，引入了挂起操作
• 当该操作作用于某个进程时，该进程将被挂起，意味着此时该进程处于静止状态。如果进程正在执行，它将暂停执行。若原本处于就绪状态，则该进程此时暂不接受调度

2.2.4 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：当一个程序配置了PCB之后，就表示它已经是一个能在多道程序环境下独立运行、合法的基本单位。
  • 能实现间断性运行方式：当进程因阻塞而暂停运行时，必须保留自己运行时的CPU现场信息，再次被调度运行时，需要恢复现场信息，这些记录在PCB中
  • 提供进程管理所需要的信息
  • 提供进程调度所需要的信息

2.3 进程控制

2.3.2 进程的创建

• 进程控制是进程管理中最基本的功能
• 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
  • 申请空白PCB
  • 为新进程分配其运行所需的资源
  • 初始化进程控制块
  • 如果进程就绪队列接纳新进程，便将新进程插入到就绪队列

2.3.3 进程的终止

• 引起进程终止的事件
  • 正常结束
  • 异常结束
  • 外界干预

2.4 进程同步

1. 临界区
   • 人们把每个进程中访问临界资源的那一段代码称为临界区，进程互斥地进入自己的临界区，就可以实现进程对临界资源的互斥访问
   • 在临界区前面增加一段用于进行上述检查的代码，把这段代码称为进入区
   • 在临界区的后面也要加上一段称为退出区的代码
   • 其他的部分称为剩余区
2. 同步机制应该遵循的规则

• 空闲让进：当无进程处于临界区时，应该允许一个请求进入临界区的进程进入临界区
• 忙则等待：当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待
• 有限等待：对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区
• 让权等待：单进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机

2.4.3 信号量机制

1. 整形信号量
   • 整形信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量S
   • 除初始化外，仅能通过两个标准的原子操作wait(S)和signal(S)来访问
2. 记录型信号量
   • 增加了“让权等待"的策略
   • 当一个进程获取不到所需要的资源，就会被放入阻塞队列中
3. AND型信号量
   • 解决当一个进程需要同时获得多个资源时的情况
   • 思想：将进程在整个运行过程中所需要的所有资源，一次性全部的分配给进程，待进程使用完成后再一次释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其他所有可能位置分配的资源也不分配给它

2.4.4 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

2.5 经典进程的同步问题

2.5.1 生产者-消费者问题

• 假定在生产者和消费者之间的公共缓冲区具有n个缓冲区，可以使用互斥信号量mutex

int in=0,out=0;
item buffer[n];
semaphore mutex = 1, empty = n, 
    full = 0;
void producer(){
    do{
        // produde a nextp
        wait(empty);
        wait(mutex);
        buffer[in] = nextp;
        in = (in+1) % n;
        signal(mutex);
        signal(full);
    }while(TRUE);
}

void consumer(){
    do{
        wait(full);
        wait(mutex);
        nextc = buffer[out];
        out = (out+1) % n;
        signal(mutex);
        signal(empty);
        // consumer a nextc
    }while(TRUE);
}

2.5.2 哲学家进餐问题

• 可以用一个信号量表示一只筷子，由这五个信号量构成信号量数组chopstick[5]

// 使用记录型信号量

do{
    wait(chopstick[i]);
    wait(chopstick[(i+1) % 5]);
    //eat
    signal(chopstick[i]);
    signal(chopstick[(i+1) % 5];
    //think
}while(TRUE);

//使用AND信号量

do{
    //think
    Swait(chopstiock[(i+1) % 5],
            chopstick[i]);
    //eat
    Signal(chopstiock[(i+1) % 5],
            chopstick[i]);
}while(TRUE);

2.5.3 读者-写者问题

• 允许多个读者同时读数据，不允许多个写者同时写数据，读者和写者不能同时操作

// 利用记录型信号量
semaphore rmutex = 1, wmutex = 1;
int readcount = 0;
void reader(){
    do {
        wait(rmutex);
        if(readcount == 0) wait(wmutex);
        readcount++;
        signal(rmutex);
        // perform
        wait(rmutex)
        radcount--;
        if(readcount == 0) signal(wmutex);
        signal(rmutex);
    }while(TRUE);
}

2.7 线程（Threads）的基本概念

2.7.1 线程的引入

• 引入线程是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销

1. 进程的两个基本属性
   • 进程是一个可拥有资源的独立单位
   • 进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位

2.7.2 线程与进程的比较

1. 调度的基本单位
   • 在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但从一个进程中的线程切换到另一进程中的线程时，必然就会引起进程的切换
2. 并发性
   • 不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间也可以并发执行
3. 拥有资源
   • 进程可以拥有资源，并作为系统中拥有资源的一个基本单位
   • 线程本身不拥有系统资源，而是仅有一点必不可少的，能保证独立运行的资源

2.7.3 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
• 线程控制块称为TCB