进程的描述、控制与通信

一、概念

1. 进程的状态
   • 进程的最基本状态
     • 就绪态
     • 执行态
     • 阻塞态
       
   • 为保证完整性，再引入两种状态
     • 创建态
     • 终止态
       
   • 引入挂起操作后，引入的状态
     • 活动就绪
     • 静止就绪
     • 活动阻塞
     • 静止阻塞
       

挂起：当挂起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。如正在执行的进程会暂停执行；处于就绪状态的进程将暂不接受调度。与挂起对应的操作是激活

2. 进程管理中的数据结构：系统对每个资源和进程都设置了一个数据结构用于表征其实体，其中包含了资源和进程的各种信息和一批指针。通过这些指针，可以将同类资源和进程的信息表，或同一进程所占用的资源信息表分类链接成不同队列，便于OS查找。OS管理的这些控制表一般可分为如下四类
   • 内存表
   • 设备表
   • 文件表
   • 进程表（即PCB）
     • 作用：
       • 作为独立运行基本单位的标志：系统通过PCB来感知进程，一个程序只有配置了PCB后，才表示其能够开始在多道程序环境下独立运行
       • 实现间断性运行方式：因调度或阻塞而暂停运行时，系统将CPU现场信息保存在该进程的PCB中（这点也可证明第一点，传统意义上的静态程序因为没有这些保护运行现场的手段，故而不能在多道程序环境下正常执行）
       • 提供进程管理所需信息：如程序和数据（在内存或外存的）始址、该进程所需的全部资源信息等
       • 提供进程调度所需信息：如进程优先级、进程等待时间和已执行时间等
     • PCB的组织方式
       • 线性方式：把系统中所有PCB组织在一张线性表中
       • 链接方式
       • 索引方式：根据进程状态的不同建立不同的索引表，如就绪索引表、阻塞索引表，把各索引表在内存中的起始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

二、进程控制

1. 进程的创建
   • 引起进程创建的事件
     • 用户登录：分时系统中，用户在终端登录成功后，系统会为该用户创建一个进程并将其插入就绪队列中
     • 作业调度：调度作业时，会将他们装入内存、为其创建进程，并把它们插入就绪队列中
     • 提供服务：如用户进程要求打印文件，系统就为其创建一个打印进程，这样打印进程可与该用户进程并发执行，还便于计算完成打印任务所需花费的时间
     • 应用请求：上述三种都是系统内核为用户创建新进程，应用请求这类事件是用户进程自己创建新进程，以使新进程以同创建进程并发执行的方式完成特定任务。如某用户进程需要不断地先从键盘终端读入数据，再对读入的数据进行相应处理，最后将处理结果以表格的形式显示在屏幕上。该用户进程为使这几个操作能并发执行以加速完成任务，可分别建立键盘输入进程、数据处理进程和表格输出进程
   • 进程创建的步骤：
     • 申请空白PCB
     • 为新进程分配其运行所需的资源：如内存、文件、I/O设备、CPU时间等
     • 初始化PCB
     • 若进程就绪队列能接纳新进程，就将新进程插入就绪队列
2. 进程的终止
   • 引起进程终止的事件
     • 正常结束
     • 异常结束
       • 越界错：程序所访问的存储区越出该进程所占存储区域的范围
       • 保护错：进程试图去访问一个不允许访问的资源或文件，或写一个只读文件这种
       • 指令错：程序试图执行一条不存在的指令（非法指令），出现该错误的原因可能是程序错误地转移到了数据区，把数据当成了指令
       • 特权指令错：进程试图执行特权指令
       • 运行超时：进程的运行时间超过了设定的最大值
       • 等待超时：进程等待某事件的时间超过了指定的最大值
       • 算术运算错：如整除0
       • I/O错：指在I/O过程中发生了错误
     • 外界干预
       • 操作员或OS干预：如发生系统死锁，则由操作员或OS采取终止某些进程的方式，把系统从死锁状态中解救出来
       • 父进程请求：当子进程完成父进程所要求的任务时，父进程可提出请求以结束该子进程
       • 父进程终止：当父进程终止时，它的所有子孙进程都应当结束
   • 进程的终止过程
     • 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，并读出其状态
     • 若处于执行状态：则立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，以指示该进程被终止后应重新进行调度
     • 若该进程还有子孙进程：则应终止其所有子孙进程，以防止它们成为不可控的进程
     • 将被终止的进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给系统
     • 将被终止进程的PCB从其所在队列（或链表）中移出，等待其他程序来搜集信息
3. 进程的阻塞与唤醒
   • 引起进程阻塞与唤醒的事件
     • 向系统请求共享资源失败：如进程请求使用打印机，而系统已将打印机分配给了其他进程，这时该进程就会被阻塞，仅在其他进程释放打印机后，才会被唤醒
     • 等待某种操作的完成：如进程在启动了某I/O设备后，变自动进入阻塞状态等待，I/O操作完成后，再由中断处理程序将该进程唤醒
     • 新数据尚未到达
     • 等待新任务的到达
   • 进程阻塞过程：正在执行的进程，若发生了上述事件，就会自动调用block原语阻塞。进入block阶段后，系统先停止执行该进程，把PCB中的现行状态由执行改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。最后转到调度程序进行重新调度操作，将处理机分配给另一就绪进程并进行切换，即保留被阻塞进程的处理机状态，并按照新进程的PCB中的处理机状态设置CPU的环境
   • 进程唤醒过程：当被阻塞进程所期待的事件发生时，有关进程会调用唤醒原语wakeup以将等待该事件的进程唤醒。调用wakeup后，首先把被阻塞进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞态改为就绪，然后将该PCB插入就绪队列中
4. 进程的挂起与激活
   • 挂起：首先检查被挂起进程的状态，若为活动就绪状态则将其改为静止就绪状态，若为活动阻塞状态则也将其改为静止就绪状态。然后将该进程的PCB复制到某指定的内存区域。最后若被挂起的进程正在执行，则转向调度程序重新调度
   • 激活：先将进程从外存调入内存，然后检查其现行状态。若为静止就绪就改为活动就绪，若为静止阻塞就改为活动阻塞。若采用抢占调度策略，则每当有静止就绪进程被激活而插入就绪队列时，就检查是否要进行重新调度，即调度程序比较被激活进程和当前进程的优先级

三、进程通信

1. 概念：
   • 低级进程通信：效率低（生产者每次只能向缓冲区中投放一个产品，消费者每次只能从缓冲区中取得一个消息）、通信对用户不透明（进程之间通信所需的共享数据结构设置、数据的传送、互斥与同步等，都必须由程序员实现）。如进程的互斥与同步，由于它们的实现需要在进程间交换少量信息，因此归为低级进程通信
   • 高级进程通信：使用方便，通信过程对用户透明、高校传送大量数据
2. 进程通信的类型：
   • 共享存储器系统：即相互通信的进程共享某些数据结构或存储区
     • 基于共享数据结构的通信方式
     • 基于共享存储区的通信方式
   • 管道通信系统：连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件。管道机制必须提供以下三种能力：
     • 互斥：一个进程正在对管道执行读/写操作时，另一进程必须等待
     • 同步：写进程把一定数量的数据写入管道后，便去睡眠（等待），直到读进程取走数据后，再把它唤醒。当读进程读一空管道时，也应睡眠（等待），直至写进程将数据写入管道后，再把它唤醒
     • 确定对方是否存在：只有确定对方存在，才能通信
   • 消息传递系统：不必借助共享数据结构或存储区，而是以格式化的消息为单位，将通信的数据封装在消息中，并利用OS提供的一组通信命令（原语），在进程间进行消息传递，完成进程间的数据交换
     • 直接通信方式：发送进程利用OS所提供的发送原语，直接把消息发送给目标进程
       • 直接通信原语
       • 消息的格式
       • 进程的同步方式：在完成消息的发送或接收后，都存在阻塞和不阻塞这两种可能性，由此可得到三种情况：
         • 发送进程阻塞，接收进程阻塞：主要用于进程之间紧密同步，发送和接收进程之间无缓冲
         • 发送进程不阻塞，接收进程阻塞：平时发送进程不阻塞，因而可以尽快的把一个或多个消息发送给多个目标；而接收进程平时阻塞，直到发送进程发来消息才被唤醒
         • 发送进程和接收进程均不阻塞：平时发送进程和接收进程都在忙其他事情，仅当发生某事件而使它们无法继续运行时，它们才会把自己阻塞起来进行等待
       • 通信链路：分为单向和双向
     • 间接通信方式（信箱通信）：发送进程和接收进程都通过共享中间实体（即信箱，是一种共享数据结构）的方式进行消息的发送与接收。该实体建立在随机存储器（RAM）的共享缓冲区上，用来暂存发送进程发送给目标进程的消息
       • 信箱的结构：信箱头+信箱体
       • 信箱通信原语：系统为信箱通信提供了若干条原语，分别用于如下情况：
         • 信箱的创建和撤销
         • 消息的发送和接收
       • 信箱的类型：有私用信箱、公用信箱、共享信箱
   • 客户-服务器系统（不在大纲）