【操作系统】进程控制与进程通信

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石可破也，而不可夺坚；丹可磨也，而不可夺赤。

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一、进程控制

1.1 什么是进程控制

• 进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销己有进程、实现进程状态转换等功能。
• 简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

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1.2 如何实现进程控制（“原语”实现）

• 原语是一种特殊的程序它的执行具有原子性，也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断。
• 如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。
• 假设PCB中的变量state表示进程当前所处状态，1表示就绪态，2表示阻塞态.
• 假设此时进程2等待的事件发生，则操作系统中，负责进程控制的内核程序至少需要做这样两件事：
• • ①将PCB2的state设为1
• • ②将PCB2从阻塞队列放到就绪队列

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1.2.1 如何实现原语的“原子性”

• 原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。
• 可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性
• 正常情况：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。
• CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。
• 这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”。

1.3 进程的创建

• 创建原语
• • 申请空白PCB
• • 为新进程分配所需资源
• • 初始化PCB
• • 将PCB插入就绪队列（创建态–>就绪态）
• 引起进程创建的事件：
• • 用户登录
• • • 分时系统中，用户登录成功，系统会建立为其建立一个新的进程
• • 作业调度
• • • 多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
• • 提供服务
• • • 用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求
• • 应用请求
• • • 由用户进程主动请求创建一个子进程

1.4 进程的终止

• 撤销原语（就绪态/阻塞态/运行态 --> 终止态 --> 无）：
• • 从PCB集合中找到终止进程的PCB
• • 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
• • 终止其所有子进程（进程间的关系是树形结构）
• • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
• • 删除PCB
• 引起进程终止的事件：
• • 正常结束
• • 异常结束（整数除以0、非法使用特权指令，然后被操作系统强行杀掉）
• • 外界干扰（Ctrl+Alt+delete，用户选择杀掉进程）

1.5 进程的阻塞

• 阻塞原语（运行态 – > 阻塞态）：
• • 找到要阻塞的进程对应的PCB
• • 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行
• • 将PCB插入相应事件的等待队列
• 引起进程阻塞的事件：
• • 需要等待系统分配某种资源
• • 需要等待相互合作的其他进程完成工作

1.6 进程的唤醒

• 唤醒原语（阻塞态 – > 就绪态）：
• • 在事件等待队列中找到PCB
• • 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
• • 将PCB插入就绪队列，等待被调度
• 引起进程唤醒的事件
• • 等待的事件发生（因何事阻塞，就应由何事唤醒）

1.7 进程的切换

• 切换原语（运行态 --> 就绪态、就绪态 --> 运行态）：
• • 将运行环境信息存入PCB
• • PCB移入相应队列
• • 选择另一个进程执行，并更新其PCB
• • 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
• 引起进程切换的事件：
• • 当前进程时间片到
• • 有更高优先级的进程到达
• • 当前进程主动阻塞
• • 当前进程终止

二、进程通信

2.1 什么是进程通信

• 进程间通信(Inter-Process Communication,IPC)是指两个进程之间产生数据交互。
• 进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间)，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
• 为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

2.2 共享存储

• 基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。
• 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式

2.3 消息传递

• 进程间的数据交换以格式化的消息(Message)为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。
• 直接通信方式
• • 消息发送进程要指明接收进程的ID
• 间接通信方式
• • 通过“信箱”间接的通信，因此又称“信箱通信方式”

2.4 管道通信

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• “管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。
• 管道只能采用半双卫通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
• 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）
• 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。
• 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
• 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：
• • ①一个管道允许多个写进程，一个读进程（2014年408真题高教社官方答案)；
• • ②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据(Liux的方案)