操作系统学习笔记——第二章 进程的描述与控制（一）

第二章 进程的描述与控制

• 2.1 前趋图与程序执行
• 2.2 进程控制
• 2.3 进程同步
• 2.4 经典进程的同步问题
• 2.5 进程通信
• 2.6 线程

目的与要求

• 领会程序顺序执行和并发执行的特征
• 掌握进程的概念和特征、进程的基本状态及转换
• 理解进程控制块PCB的作用、包含信息和组织方式

一、程序的顺序执行及其特征

程序的顺序执行

一个程序由若干个程序段组成，而这些程序段的执行必须是顺序的，这种程序执行的方式就称为程序的顺序执行。
S1: a:=x+y;
S2: b:=a-5;
S3: c:=b+1;

程序顺序执行时的特征

• 顺序性
  处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行
• 封闭性
  程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素的影响
• 可再现性
  程序执行的结果与它的执行速度无关（即与时间无关），而只与初始条件有关

二、前趋图

重量指的是程序的执行时间

三、程序的并发执行及其特征

• 程序的并发执行
  例：在系统中有n个作业，每个作业都有三个处理步骤：
  输入数据、处理、输出结果，即Ii，Ci，Pi（i = 1,2,3，……，n）
  

程序并发执行时的特征

• 间断性
  在多道程序设计的环境下，程序的并发执行，以及为完成一项任务而相互合作，这些程序之间要共享系统的资源，形成了相互制约的关系。
  相互制约导致并发程序具有“执行-暂停-执行”这种间断性的活动规律。
  

四、进程的特征与状态

在多道程序设计的环境下，为了描述程序在计算机系统内的执行情况，必须引入新的概念——进程。

2.2 进程的描述

1、进程的定义

进程：程序关于某个数据集合的一次执行过程。

• 行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上执行时所发生的的活动称为进程。（Dijkstra）
• 进程（有时称为任务）是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动。（Alan.C.Shaw）
• 进程是执行中的程序。(Ken Thompson and Dennis Ritchie)

2、进程的特征

• 结构特征
  进程控制块（PCB）+程序+数据=进程实体
• 动态性–最基本特征
  • 进程：进程实体的一次执行过程，有生命周期
  • 程序：程序是一组有序指令的集合，是静态的概念
• 并发性
• 独立性
• 异步性 进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

3、进程的三种基本状态

• 就绪状态
  进程已获得除CPU之外的所有必需的资源，一旦得到CPU控制权，立即可以运行。
• 运行状态
  进程已获得运行所需的的资源，它正在处理机上执行。
• 阻塞状态
  正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，称该进程处于阻塞状态或等待状态。

进程的三种状态以及各状态之间的转换

处于就绪状态的进程，在调度程序为之分配了处理机之后便可执行，其状态就由就绪态变为执行态；

正在执行的进程（当前进程）如果因分配给它的时间片已完而被剥夺处理机而暂停执行时，其状态便由执行转为就绪；

如果因发生某事件导致当前的进程执行受阻（例如进程访问某临界资源，而该资源正在被占用），使之无法继续执行，则该进程状态由执行转变为阻塞。

• 挂起状态（把程序从内存移到外存的状态）

引起挂起状态的原因：

• 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

2、进程状态的转换

注：活动指的是进程还在内存中，静止指的是进程在外存。

五、进程控制块（PCB）

• 进程控制块的作用
• 进程控制块中的信息
• 进程控制块的组织方式

1. 进程控制块的作用

存放进程管理和控制信息的数据结构称为进程控制块。它是进程管理和控制的最重要的数据结构，在创建时，建立PCB，并伴随进程运行的全过程，直到进程撤销而撤销。
PCB就像我们的户口。
PCB是进程存在的唯一标志。

系统的所有PCB组织成链表或队列，常驻内存的PCB区。

PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据）成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。关于PCB的具体作用有以下几点：

• 作为独立运行基本单位的标志。当一个程序（含数据）配置了PCB后，就表示它已经是一个能在多道程序环境下独立运行的、合法的基本单位，也就是具有取得OS服务的权利。
• 能实现间断性运行方式。在多道程序环境下，程序是采用走走停停间断性运行的方式来执行的。当进程因阻塞儿暂停运行时，它必须保留自己运行时的CPU现场信息，再次被调度运行时，还需要恢复其CPU现场信息。
• 提供进程管理所需要的信息。当调度程序调度到某进程运行时，只能根据该进程PCB中记录的程序和数据在内存或外存中的起始地址的指针，找到相应的程序和数据；在进程运行过程中，当需要访问系统文件中的文件或I/O设备时，也都需要借助于PCB中的信息。
• 提供进程调度所需要的信息。只有处于就绪状态的进程才能被调度执行，而在PCB中就提供了进程处于何种状态的信息。如果进程处于就绪状态，系统便将它插入到进程就绪队列中，等待着调度程序的调度；另外在进行调度时往往还需要了解进程的其他信息，如在优先级调度算法中，就需要知道进程的优先级。在有些较为公平的调度算法中，还需要知道进程的等待时间和已执行的时间等。
• 实现与其他进程的同步与通信。进程同步机制是用于实现诸进程的协调运行的，在采用信号量机制时，它要求在每个进程中都设置有相应的用于同步的信号量。在PCB中还具有用于实现进程通信的区域或通信队列指针等。

2. 进程控制块中的信息

进程标示符
处理机状态
进程调度信息
进程控制信息

进程标示符

每个进程都必须有一个唯一的标识符

   内部标识符
   外部标识符

处理机状态

主要由处理机的各种寄存器中的内容组成。处理机运行时的信息存放在寄存器中，当被中断时这些信息要存放在PCB中。

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
   进程通信和同步机制
   资源清单
   链接指针

3. 进程控制块的组织方式

链接方式
把具有同一状态的PCB用其中的链接字链接成一个队列。
就绪队列；
若干个阻塞队列；

索引方式
系统根据所有进程的状态建立几张索引表，把各表的内存首地址记录在内存的专用单元中。
索引表的表目中记录了相应状态的某个PCB在PCB表中的地址。

以上就是进程控制与描述前两小节的内容！