DJ2-1 进程管理

目录

2.1  前趋图和程序执行

2.1.1  前趋图

2.1.2  程序的顺序执行及其特征

2.1.3  程序的并发执行及其特征

2.2  进程的描述

2.2.1  进程的定义及特征

2.2.2  进程的基本状态及转换

2.2.3  进程挂起操作和进程状态的转换

区分：挂起与阻塞。

2.2.4  进程管理中的数据结构

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2.1  前趋图和程序执行

2.1.1  前趋图

前趋图（Precedence Graph）是一个有向无循环图（DAG：Directed Acyclic Graph），用于描述进程之间执行的先后顺序。

2.1.2  程序的顺序执行及其特征

1. 程序的顺序执行

我们用结点（Node）代表各程序段的操作，其中 I 代表输入操作，C 代表计算操作，P 代表打印操作，用箭头指示操作的先后次序。

即使是一个程序段，也可能存在着执行顺序问题，下面示出了一个包含了三条语句的程序段：

s1: a := x + y;
s2: b := a - 5;
s3: c := b + 1;

2. 程序顺序执行时的特征

1）顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行。

2）封闭性：程序运行时独占全机资源，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。

3）可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，都将获得相同的结果。

（不论它是从头到尾不停顿地执行，还是 “走走停停” 地执行。）

2.1.3  程序的并发执行及其特征

1. 程序的并发执行

对于具有下述四条语句的程序段：

s1: a := x + 2;
s2: b := y + 4;
s3: c := a + b;
s4: d := c + b;

2. 程序并发执行时的特征

1）间断性：由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间，形成了相互制约的关系。相互制约将导致并发程序具有 “执行——暂停——执行” 这种间断性的活动规律。

2）失去封闭性：多个程序共享系统中的各种资源，即这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去封闭性。

3）不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，导致不可再现性 。

举例

有两个循环程序 A 和 B 它们共享一个变量 N，假设 N 值为 n 。

• 程序 A 每执行一次时，都要做 N=N+1 操作；
• 程序 B 每执行一次时，都要执行 Print(N) 操作，然后再将 N 置成 0 。

程序 A 和 B 以不同的速度运行。

1）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之前执行

N=N+1        // n+1
Print(N)     // n+1
N=0          // 0

2）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之后执行

Print(N)     // n
N=0          // 0
N=N+1        // 1

3）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之间执行

Print(N)     // n
N=N+1        // n+1
N=0          // 0

上述情况说明，程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果必将与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性。换而言之，程序经过多次执行后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。

2.2  进程的描述

2.2.1  进程的定义及特征

1. 进程的定义

典型的进程定义有：

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。

2. 进程的特征

1）结构特征

为使程序能独立运行，应为之配置一个进程控制块，即 PCB（Process Control Block）；而程序段、相关的数据段和 PCB 三部分便构成了进程实体。

所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的 PCB；而撤消进程，实质上是撤消进程的 PCB 。     

上述 “程序” 包含了程序段和数据段。

2）动态性

进程的实质是进程实体的一次执行过程。

因此，动态性是进程的最基本的特征。动态性表现为 “它由创建而产生，由调度而执行，由撤消而消亡”。可见，进程实体有一定的生命期。

程序是一组有序指令的集合，其本身并不具有运动的含义，因而是静态的。

3）并发性：是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。

4）独立性：是指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。

5）异步性：是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，即进程实体按异步方式运行。

2.2.2  进程的基本状态及转换

1. 进程的三种基本状态

无论进程处于三种基本状态的哪一种，其程序段和数据段都是在内存里的。

1）就绪状态（Ready）：当进程已分配到除 CPU 以外的所有必要资源后，只要再获得 CPU，便可立即执行。

由进程调度算法来挑选下一个执行的进程。一般情况下，每个进程在加入就绪队列时就会比较优先级，每次调度时取位于就绪队列最前的进程即可。

2）执行状态（Running）：进程已获得 CPU，其程序正在执行。

时间片完时，进程回到就绪队列的末尾或者同级别进程的末尾。

3）阻塞状态（Blocked）：正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，把这种暂停状态称为阻塞状态，有时也称为等待状态。

如：需要从磁盘加载数据到内存中。现在笔记本的磁盘转速一般为 5400 转/min；转速越高，耗电越大。

2. 进程的五种基本状态

1）Ready：准备执行。

2）Running：占用处理机（单处理机环境中，某一时刻仅一个进程占用处理机）。

3）Blocked：等待某事件发生才能执行，如等待 I/O 完成等。

4）New：进程已经创建，但未被 OS 接纳为可执行进程，并且程序还在外存，PCB 在内存。

PCB 是直接在内存中创建的；当内存有空间时，才将程序段和数据段装载到内存中。

5）Exit：因停止或取消，被 OS 从执行状态释放。

阻塞队列

• 单阻塞队列
• 多阻塞队列

3. 进程的状态转换

处理机就是 CPU 。

1）空 → 新状态：新创建的进程首先处于新状态。

创建进程包括申请内存空间和创建 PCB 。

2）新状态 → 就绪状态：当系统允许增加就绪进程时，操作系统接纳新建状态进程，将它变为就绪状态，插入就绪队列中。

新状态是程序段和数据段与 PCB 的第一次分离，即程序段和数据段在外存，PCB 在内存。只有当内存有空间时，才会将其装载到内存，此时进程变为就绪状态。

3）就绪状态 → 执行状态：当处理机空闲时，将从就绪队列中选择一个进程执行，该选择过程称为进程调度，或将处理机分派给一个进程，该进程状态从就绪转变为执行。

4）执行状态 → 终止状态：执行状态的进程执行完毕，或出现诸如访问地址越界、非法指令等错误，而被异常结束，则进程从执行状态转换为终止状态。

5）执行状态 → 就绪状态：分时系统中，时间片用完，或优先级高的进程到来，将中断较低优先级进程的执行。进程从执行状态转变为就绪状态，等待下一次调度。

6）执行状态 → 阻塞状态：执行进程需要等待某事件发生。通常，会因为进程需要的系统调用不能立即完成，如读文件、共享虚拟内存、等待 I/O 操作、等待另一进程与之通信等事件而阻塞。

7）阻塞状态 → 就绪状态：当阻塞进程等待的事件发生，就转换为就绪状态。进入就绪队列排队，等待被调度执行。

4. 多个进程竞争内存资源

• 内存资源紧张。
• 无就绪进程，处理机空闲。

I/O 的速度比处理机的速度慢得多，可能出现全部进程阻塞等待 I/O 。如下图所示，一开始有四个进程处于就绪状态。处理机依次对各个进程进行处理，而这四个进程都需要等待 I/O 操作，因此最终都转换成了阻塞状态。又因为这四个进程占满了内存空间，故没有处于就绪状态的新的进程，从而导致处理机空闲。

解决方法：

1）采用交换技术：换出一部分进程到外存，以腾出内存空间。

首选换出处于阻塞状态的进程。

将内存中暂时不能运行的进程，或暂时不用的数据和程序，换出到外存，以腾出足够的内存空间；把已具备运行条件的进程，或进程所需要的数据和程序，换入内存。

进程被交换到外存，状态变为挂起状态。

2）采用虚拟存储技术：每个进程只能装入一部分程序和数据（存储管理部分）。

2.2.3  进程挂起操作和进程状态的转换

1. 进程的挂起状态

挂起状态：是指使执行的进程暂停执行，静止下来。

1）引入挂起状态的原因

• 终端用户的请求
• 父进程请求
• 负荷调节的需要
• 操作系统的需要

负荷调节的需要：当实时系统中的工作负荷较重，把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。参考上述例子。

操作系统的需要：操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。* 记账：比如租借算力或者显卡时需要计算费用。

2）被挂起进程的特征

• 不能立即执行
• 可能是等待某事件发生
• 使之挂起的进程为：自身、其父进程、OS
• 只有挂起它的进程才能使之由挂起状态转换为其他状态

可能是等待某事件发生：若是，则阻塞条件独立于挂起条件，即使阻塞事件发生，该进程也不能执行。* 阻塞条件独立于挂起条件：当进程处于挂起状态时，它所等待的事件依然可以处于处理中。但是即使所等待的事件发生了，该进程也不能被执行。

区分：挂起与阻塞。

• 进程是否等待事件，阻塞与否 ? 
• 进程是否被换出内存，挂起与否？

进程是否阻塞和是否挂起并不冲突，可以既是阻塞状态又是挂起状态。

4 种状态组合

• 就绪：进程在内存，准备执行。
• 阻塞：进程在内存，等待事件。
• 就绪/挂起：进程在外存，只要调入内存即可执行。
• 阻塞/挂起：进程在外存，等待事件。

3）进程挂起状态的转换

• Ready：活动就绪
• Ready & Suspend：静止就绪
• Blocked：活动阻塞
• Blocked & Suspend：静止阻塞

程序段和数据段在外存就是静止。

2.2.4  进程管理中的数据结构

1. 进程控制块 PCB（process control block）

作用：是进程存在的唯一标志。

特点：常驻内存。

2. 进程控制块中的信息

不同 OS 中的 PCB 数据结构有所不同。

1）进程标识符

进程标识符用于唯一标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：

① 内部标识符。为每一个进程赋予一个唯一的数字标识符。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。

② 外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户（进程）在访问该进程时使用。

2）处理机状态

处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成：

① 通用寄存器

② 指令计数器

③ 程序状态字 PSW

④ 用户栈指针

3）进程调度信息

在 PCB 中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括：

① 进程状态

② 进程优先级

③ 进程调度所需的其它信息

④ 事件，阻塞原因

4）进程控制信息

① 程序和数据的地址

② 进程同步和通信机制

③ 资源清单

④ 链接指针

3. PCB 的组织方式

1）线性方式

将系统中的所有 PCB 组织在一张线性表中，将该表的首址存放在内存的一个专用区域中。

2）链接方式

把具有相同状态进程的 PCB 分别通过 PCB 中的链接字链接成一个队列。这样，可以形成就绪队列、若干个阻塞队列和空白队列等。

/* 等待队列示例 */
struct wait_queue {
    struct task_struct * task;
    struct wait_queue * next;
};

3）索引方式

系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表。例如，就绪索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中。在每个索引表的表目中，记录具有相应状态的某个 PCB 在 PCB 表中的地址。