进程控制与原语

 一、 进程的五种状态

在操作系统中，一个进程可以经历五种基本状态，这被称为进程的五种基本状态模型。这包括：

1. 创建状态（Create/New）：

   • 进程刚刚被创建，但还未被执行。在这个状态下，操作系统正在为进程分配资源，设置进程的初始状态，并进行初始化工作。

2. 就绪状态（Ready）：

   • 进程已经准备好运行，但还没有被调度执行。在这个状态下，进程等待分配到CPU时间，一旦获得CPU，它将进入运行状态。

3. 运行状态（Running）：

   • 进程正在执行指令，占用CPU时间。在运行状态下，进程的代码正在被处理器执行，执行完当前的指令后，可能会继续执行下一条指令。

4. 阻塞状态（Blocked/Waiting）：

   • 进程因等待某个事件而暂时停止执行。在阻塞状态下，进程可能在等待外部输入、等待I/O操作完成等。一旦等待的事件发生，进程将转移到就绪状态。

5. 终止状态（Terminated/Exit）：

   • 进程已经执行完成，或者被手动终止。在这个状态下，操作系统会释放进程占用的资源，清理进程的数据结构，然后将其从系统中移除。

这五种状态构成了进程的基本生命周期。在实际系统中，进程可以在这些状态之间转换，形成进程的状态转换图。操作系统通过调度算法来管理进程的状态转换，使得系统能够高效地利用CPU资源，同时满足各个进程的执行需求

二、 进程控制 （用原语实现）

进程控制是操作系统中用于管理和控制进程的一系列操作。这些操作涵盖了进程的创建、终止、调度、同步、通信等方面

原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性，即这段程序的运行必须一气呵成，不能中断。

 2.1 进程创建

进程创建原语是操作系统提供的一组原始的指令或函数，用于创建新的进程。这些原语通常由操作系统的内核提供，可以通过系统调用的形式供应用程序使用。

2.2 进程终止

计算机科学和操作系统领域，并没有通用的"撤销原语"（Undo Primitive）用于撤销一般的系统操作。通常，系统设计的原则之一是确保不可逆的操作能够被谨慎地执行，因为撤销操作本身也可能引入复杂性和不一致性。

2.3 进程的阻塞和唤醒 

1. 阻塞原语（Blocking Primitives）：

   • 阻塞是指将一个进程置于等待某个事件完成的状态。阻塞原语的目的是使进程暂时停止执行，直到满足某个条件。这样可以有效地避免进程的忙等待，提高系统的效率。

   • 通常，阻塞原语由系统调用提供，例如：

     • wait()： 进程调用该原语等待某个条件的满足，当条件满足时，进程被唤醒。
     • sleep()： 进程主动调用该原语来进入睡眠状态，直到被唤醒。
     • semaphore_wait()： 在使用信号量进行进程同步时，等待信号量的操作可以将进程阻塞。

2. 唤醒原语（Wakeup Primitives）：

   • 唤醒是指从阻塞状态唤醒一个或多个进程，使其继续执行。唤醒原语用于通知系统某个事件已经发生，需要唤醒一个或多个等待该事件的进程。

   • 通常，唤醒原语也由系统调用提供，例如：

     • signal()： 用于向等待某个条件的进程发送信号，唤醒其中一个或所有等待的进程。
     • notify()： 在某些同步机制中，用于通知一个等待的进程。

这两个原语通常用于解决生产者-消费者问题、进程同步、资源共享等场景。通过使用阻塞和唤醒原语，操作系统能够有效地管理进程的状态转换，确保在合适的时机唤醒等待中的进程，提高系统的效率和性能。

2.4 进程的切换 

上下文切换原语是一组操作或指令，用于执行上下文切换。这是操作系统中的一个关键机制，因为它允许多个进程共享 CPU 时间，实现多任务处理。以下是与上下文切换相关的一些原语：

1. 保存上下文（Save Context）：

   • 在切换到新的进程之前，操作系统需要保存当前运行进程的上下文信息，包括寄存器的状态、程序计数器、内存映射等。这确保了在将来切换回该进程时，它可以继续执行。

2. 加载上下文（Load Context）：

   • 在切换到新的进程时，操作系统需要加载新进程的上下文信息，将保存的状态还原到寄存器、内存等位置。这是为了确保新进程可以继续执行。

3. 调度（Scheduler）：

   • 在上下文切换时，调度器负责选择下一个要运行的进程。这通常涉及到进程队列、进程优先级、时间片等调度策略。

4. 原子操作（Atomic Operation）：

   • 上下文切换通常涉及多个步骤，为了确保操作的原子性，可能需要使用原子操作，如禁用中断或其他同步机制，以防止在切换过程中出现竞态条件。

5. 切换栈（Switch Stacks）：

   • 在一些系统中，为每个进程分配一个独立的栈。在切换进程时，操作系统可能需要切换栈，以确保正确的执行环境。

上下文切换的成本较高，因为它需要保存和加载大量的信息。因此，操作系统的设计会尽量减小上下文切换的频率。在多核系统中，可以通过并行执行多个进程来减小上下文切换的影响。上下文切换原语是操作系统内核提供的一组底层机制，对于应用程序开发者来说，这些细节通常是由操作系统自动处理的。