操作系统（三）| 进程管理上 进程状态 同步 互斥

目录

1 进程和程序区别

2 进程状态

2.1 进程的5种基本状态

2.2 进程状态之间转换

2.3 七状态模型

3 进程描述

3.1 进程控制块 PCB

3.2 进程块组织方式

4 进程控制

5 进程同步 互斥

5.1 区分进程互斥和同步

5.2 核心方案

5.3 其他方案

方案1 设置锁变量

方案2 严格轮转法

方案3 Peterson解决方案

方案4 关中断

方案5 机器指令实现的互斥

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简单概述

什么是进程？ 是程序的1次执行（程序执行的1个实例） 每个进程有自己的地址空间。

为什么引入进程？ 多任务的需要。在内存中同时有多个可执行的进程，以提高效率（特别是CPU的利用率）。

因此，需要对进程进行管理，以避免冲突： 借助于PCB，记录进程的描述和控制信息、上下文状态

1 进程和程序区别

进程是程序的1次执行。 进程（Process）和程序（Program）是两个不同的概念，它们在计算机科学中有明确的区别：

1. 程序（Program）：

   • 定义：程序是一组计算机指令的有序集合，这些指令被编写成一个文件，通常以可执行文件的形式存在。程序是静态的，它只是一段代码的集合，等待被执行。

   • 特点：程序包含了计算机程序员编写的源代码，它描述了一系列任务的算法和逻辑，但并没有实际执行。程序不占用计算机的内存空间，也不消耗计算机的CPU时间。

   • 例子：一个文本编辑器的程序文件、一个游戏的可执行文件、一个网页浏览器的应用程序等都是程序的例子。

2. 进程（Process）：

   • 定义：进程是计算机中正在运行的程序的实例。它是程序在内存中加载并执行时的活动状态，包括程序的代码、数据、执行状态、系统资源分配等。

   • 特点：进程是动态的，它占用计算机的内存空间，可以执行计算机指令，与其他进程并发运行。每个进程都有自己的独立内存空间，因此它们不会相互干扰。进程可以创建、启动、暂停、终止等。

   • 例子：当您运行一个文本编辑器、播放音乐、浏览网页或打印文档时，每个活动都对应一个独立的进程。

总结来说，程序是静态的、不执行的计算机指令集合，而进程是程序的运行实例，它占用计算机内存，执行指令，并与其他进程一起协同工作。进程是计算机操作系统中的核心概念，它使多任务处理成为可能.

可以将程序和进程比喻为烹饪的过程：

1. 程序（Program）就像是一本菜谱。菜谱是一份详细的食物制作指南，它包含了食材清单、烹饪步骤和所需的厨具。但菜谱本身并不能做出美味的食物，它只是一份指导，等待着被厨师（计算机）读取和执行。就像您需要拿出菜谱并按照其中的步骤去做一道菜一样，计算机需要将程序加载到内存中并执行其中的指令。

2. 进程（Process）就像是正在烹饪中的一道菜。当您选择一道菜谱并开始烹饪时，您实际上在制作一道具体的菜肴。这个菜肴有自己的成分、调味料和烹饪状态。它在火上烹煮、被切割、被摆盘等等。这个菜肴是实际被制作和提供给食客的，就像进程是正在计算机内存中运行和执行的程序实例。

所以，程序就像是一份指导，而进程是实际的动态执行。程序是静态的，而进程是具体的、可见的操作。

2 进程状态

2.1 进程的5种基本状态

（1）新建（new）：进程正在被创建。 （2）就绪（ready）：进程可运行，正等待获得处理机。 （3）运行（running）：进程的指令正在被执行。 （4）阻塞（blocked）或等待：进程因等待某事件（如请求I/O）而暂停执行。 （5）完成（done）：进程结束。

2.2 进程状态之间转换

2.3 七状态模型

引入挂起（即 进程此时在外存等待）

就绪(Ready)：进程在内存且可立即进入运行状态 阻塞(Blocked)：进程在内存并等待某事件的出现 阻塞挂起(Blocked, suspend)：进程在外存并等待某事件的出现 就绪挂起(Ready, suspend)：进程在外存，但只要进入内存，即可运行 运行 新建 完成

注意 挂起都在外存

挂起：把进程从内存转到外存

激活：把进程从外存转到内存

补充：

时间片是操作系统给程序分配的时间，保证一个进程不会一直占用CPU资源不释放造成混乱

3 进程描述

3.1 进程控制块 PCB

作用

1 是OS管理和控制进程的数据结构。

2 PCB记录着进程的描述信息。

每个进程对应1个PCB。

信息内容

（1）进程本身的标识信息

进程标识符pid(process ID)：整数，由OS分配，唯一

用户标识符uid(user ID)：创建该进程的用户

对应程序的地址：内存、外存

（2）CPU现场 - 为进程正确切换所需

所有寄存器的值

    或称进程上下文(context)

因为要切换走进程！所以要保护当前进程的上下内容，使得切换回来的时候可以继续正常执行

（3）进程调度信息

进程的状态

优先级

使进程阻塞的条件

占用CPU 、等待CPU的时间（用于动态调整优先级）

（4）进程占用资源的信息

进程间同步和通信机制，如信号量、消息队列指针

打开文件的信息，如文件描述符表

CPU现场 - 为进程正确切换所需

所有寄存器的值

或称进程上下文(context)

Linux的进程控制块:task_struct

进程创建时，由OS创建PCB;

进程终止时，由OS撤销PCB；

进程运行时，以PCB作为调度依据。

3.2 进程块组织方式

一般来说，系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，构成PCB表。

PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数。

同一状态进程的PCB组成一个链表，不同状态对应多个不同的链表，如就绪链表、阻塞链表

4 进程控制

基本概念

原语

创建、撤销进程以及完成进程各状态之间的转换，由具有特定功能的原语完成

原语 由若干指令构成的具有特定功能的函数

具有原子性，其操作具有不可分割性

如：

进程创建原语

进程撤销原语

阻塞原语

唤醒原语

挂起原语

激活（解挂）原语

改变进程优先级

5 进程同步 互斥

在执行时间上互相重叠（或交替），一个进程的执行尚未结束，另一个进程的执行已经开始的执行方式。

这样会有一个问题

因为资源共享的问题，结果会产生不确定性

为此，引入同步（synchronization）和互斥（mutual exclusion）。

临界资源 一次只允许一个进程独占访问（使用）资源 ，越小越好

临界区 进程中访问临界资源的的程序段

5.1 区分进程互斥和同步

互斥是指执行某个进程的时候访问某一临界资源的时候，另一个进程不能执行访问这一临界资源。

经典只有互斥问题：打印机打印

同步是指完成某一进程执行是有条件的，必须等另一个进程的某一资源结束才可以

经典只有同步的问题：售票员售票

既有互斥又有同步问题：消费者问题

5.2 核心方案

信号量

利用信号量P-V操作可以实现进程的互斥访问

利用信号量P-V 操作可以实现进程的同步访问

5.3 其他方案

实现互斥方案

一个好的互斥方案应满足以下条件：

（1）任何两个进程不能同时处于临界区。

（2）临界区外的进程不应阻止其他进程进入临界区。

（3）不应使进程在临界区外无休止地等待。就是说，临界区代码执行时间要短。

（4）不应对CPU的个数和进程之间的相对运行速度作任何假设。

方案1 设置锁变量

即设置一个共享变量lock

当lock=0的时候，临界区内无进程，初始值

当lock=1的时候，临界区内有进程

while(lock);
lock=1;
<临界区>
lock=0;
<非临界区>

可能的问题

1 会导致两个进程同时进入临界资源

比如进程1走到lock=1的时候，还没来得及上锁（修改lock的值为1）就被切换走了，这时候其他进程 就可以避免while也进入临界区

2 可能会存在盲等待 走到lock=0的时候，还没来得及解锁就被切换走了，这时候其他进程都进不来！

所以这种方案是错误的，不能达到效果

方案2 严格轮转法

设置共享变量turn，以指示进入临界区的进程号

以两个进程为例

turn=0的时候允许进程0进入临界区，初始值

turn=1的时候允许进程1进入临界区

进程0

while  (turn != 0);
<临界区>
turn = 1;
<非临界区> 

进程1

while  (turn != 1);
<临界区>
turn = 0;
<非临界区> 

本质互为锁

可能的问题

进程可能会被临界区之外的进程阻塞

方案3 Peterson解决方案

设置一个共享变量process，代表此时进入临界区的进程号

enter_region(process); //process是 进入/离开临界区的进程号
<临界区>
leave_region(process);
<非临界区>
​

当一个进程想进入临界区时，先调用enter_region函数，判断是否能安全进入，不能的话等待；当进程从临界区退出后，需调用leave_region函数，允许其它进程进入临界区。 两个函数的参数均为进程号

以两个进程为例子

#define  FALSE  0
#define  TRUE   1
#define   N        2 // 进程的个数
int  turn;         // 轮到谁？•
int  interested[N];    // 兴趣数组，表明第i个进程是否在临界区，所有元素初始值均为FALSE
void  enter_region (int  process)  // process为进程号 0 或 1•{•        
    int  other;  // 另外一个进程的进程号•        
    other  =  1  -  process;    •        
    interested[process]  =  TRUE; // 表明本进程进入临界区•       
    turn  =  process;             // 设置标志位•       
    while ( turn == process && interested[other] == TRUE);
}
void  leave_region (int  process)•{•      
    interested[process]  =  FALSE; // 本进程将离开临界区•}

方案4 关中断

由于进程在切换进程的时候 必须进行中断处理，既然如此的话

我们可以在一个程序进入临界区域之前，将中断功能给关闭，简称关中断！

关中断；
<临界区>;
开中断;
<非临界区>;

缺点

1 对多处理机系统无效，因为每个处理机有自己的中断开关

2 关中断权利交给用户不合适

方案5 机器指令实现的互斥

即保证某些内容他是直接互斥的