第二章進(jìn)程的描述與控制

前驅(qū)圖和程序執(zhí)行

程序并發(fā)執(zhí)行

程序的并發(fā)執(zhí)行

程序并發(fā)執(zhí)行時的特征

• 間斷性
• 失去封閉性
• 不可再現(xiàn)性

進(jìn)程的描述

進(jìn)程的定義

• 進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行
• 進(jìn)程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動
• 進(jìn)程是具有獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位

進(jìn)程的特征

• 動態(tài)性
• 并發(fā)性
• 獨立性
• 異步性

從操作系統(tǒng)角度分類

• 系統(tǒng)進(jìn)程
• 用戶進(jìn)程

進(jìn)程和程序的區(qū)別

• 進(jìn)程是動態(tài)概念，而程序則是靜態(tài)概念
• 程序是指令的有序集合，永遠(yuǎn)存在；進(jìn)程強調(diào)是程序在數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行，有創(chuàng)建有撤銷，存在是暫時的；
• 進(jìn)程具有并發(fā)性，而程序沒有
• 進(jìn)程可創(chuàng)建其他進(jìn)程，而程序并不能形成新的程序
• 進(jìn)程是競爭計算機資源的基本單位，程序不是

進(jìn)程和程序的聯(lián)系

• 進(jìn)程是程序在數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行
• 程序是構(gòu)成進(jìn)程的組成部分，一個程序可對應(yīng)多個進(jìn)程，一個進(jìn)程可包括多個程序
• 進(jìn)程的運行目標(biāo)是執(zhí)行所對應(yīng)的程序
• 從靜態(tài)看，進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊（PCB）組成

進(jìn)程的基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

• 進(jìn)程的三種基本狀態(tài)
  • 就緒狀態(tài)ready
  • 執(zhí)行狀態(tài)running
  • 阻塞狀態(tài)block
• 三種基本狀態(tài)的轉(zhuǎn)換
• 創(chuàng)建狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)
  • 五狀態(tài)進(jìn)程模型
• 注意
  • 阻塞態(tài)->運行態(tài)和就緒態(tài)->阻塞態(tài)這二種狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能發(fā)生

掛起操作和進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

• 掛起和阻塞的區(qū)別
• 掛起操作的目的
  • 終端用戶的需要: 修改、檢查進(jìn)程
  • 父進(jìn)程的需要：修改、協(xié)調(diào)子進(jìn)程
  • 對換的需要：緩和內(nèi)存
  • 負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要：保證實時任務(wù)的執(zhí)行
• 關(guān)鍵圖

進(jìn)程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 進(jìn)程控制塊PCB的作用
  • 作為獨立運行基本單位的標(biāo)志
  • 能實現(xiàn)間斷性運行方式
  • 提供進(jìn)程管理所需要的信息
  • 提供進(jìn)程調(diào)度所需要的信息
  • 實現(xiàn)與其他進(jìn)程的同步與通信
• 進(jìn)程控制塊的信息
  • 進(jìn)程標(biāo)識符
    • 外部標(biāo)識符PID
    • 內(nèi)部標(biāo)識符(端口)
  • 處理機狀態(tài)
    • 通用寄存器
    • 指令計數(shù)器
    • 程序狀態(tài)字PSW
    • 用戶棧指針
  • 進(jìn)程調(diào)度信息
    • 進(jìn)程狀態(tài)
    • 進(jìn)程優(yōu)先級
    • 進(jìn)程調(diào)度所需的其他信息
    • 事件
  • 進(jìn)程控制信息
    • 程序和數(shù)據(jù)的地址
    • 進(jìn)程同步和通信機制
    • 資源清單
    • 鏈接指針
  • 進(jìn)程控制塊的組織方式
    • 線性方式
    • 鏈接方式
    • 索引方式

進(jìn)程控制

操作系統(tǒng)內(nèi)核

• 兩大功能
  • 支撐功能
    • 中斷管理
    • 時鐘管理
    • 原語操作
      • 進(jìn)程的管理，由若干原語（primitive）來執(zhí)行
  • 資源管理功能
    • 進(jìn)程管理
    • 存儲器管理
    • 設(shè)備管理
• 狀態(tài)
  • 系統(tǒng)態(tài)，管態(tài)，內(nèi)核態(tài)
  • 用戶態(tài)，目態(tài)

進(jìn)程的創(chuàng)建

• 進(jìn)程的層次結(jié)構(gòu)
  • 父進(jìn)程
  • 子進(jìn)程
• 引起創(chuàng)建進(jìn)程的事件
  • 用戶登錄
  • 作業(yè)調(diào)度
  • 提供服務(wù)
  • 應(yīng)用請求
• 進(jìn)程的創(chuàng)建過程
  • 1.申請空白PCB
  • 2.為新進(jìn)程分配其運行所需的資源
  • 3.初始化進(jìn)程塊PCB
  • 4.如果進(jìn)程就緒隊列能夠接納新進(jìn)程，便將新進(jìn)程插入就緒隊列
• 進(jìn)程的終止
  • 引起進(jìn)程終止的事件
    • 1.正常結(jié)束
    • 2.異常結(jié)束
    • 3.外界干預(yù)
  • 進(jìn)程的終止過程
    • 1.根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識符
• 進(jìn)程的阻塞與喚醒
  • 引起進(jìn)程阻塞和喚醒的事件
    • 請求系統(tǒng)服務(wù)而未滿足
    • 啟動某種操作而阻塞當(dāng)前進(jìn)程
    • 新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)
    • 無新工作可做：系統(tǒng)進(jìn)程
  • 進(jìn)程阻塞過程(自己阻塞自己)
  • 進(jìn)程喚醒過程(系統(tǒng)或其他進(jìn)程喚醒自己)
• 進(jìn)程的掛起與激活
  • suspend
  • active

進(jìn)程同步

• 基本概念
  • 兩種形式的制約關(guān)系
    • 間接相互制約關(guān)系
      • 互斥——競爭
    • 直接相互制約關(guān)系
      • 同步——協(xié)作
  • 臨界資源
  • 分區(qū)
    • 進(jìn)入?yún)^(qū)enter section
    • 臨界區(qū)critical section
    • 退出區(qū)exit section
    • 剩余區(qū)remainder section
  • 同步機制應(yīng)遵循的規(guī)則
    • 1.空閑讓進(jìn)
    • 2.忙則等待
    • 3.有限等待
    • 4.讓權(quán)等待
• 進(jìn)程同步機制
  • 軟件同步機制:都沒有解決讓權(quán)等待，而且部分方法還會產(chǎn)生死鎖的情況
  • 硬件同步機制
    • 關(guān)中斷
    • 利用Test-and-Set指令實現(xiàn)互斥
    • 利用swap指令實現(xiàn)進(jìn)程互斥
  • 信號量機制
    • 整型信號量
    • 記錄型信號量
      • 由于整型信號量沒有遵循讓權(quán)等待原則，記錄型允許負(fù)數(shù)，即阻塞鏈表
    • AND型信號量
    • 信號量集
      • 理解:AND型號量的wait和signal僅能對信號施以加1或減1操作，意味著每次只能對某類臨界資源進(jìn)行一個單位的申請或釋放。當(dāng)一次需要N個單位時，便要進(jìn)行N次wait操作，這顯然是低效的，甚至?xí)黾铀梨i的概率。此外，在有些情況下，為確保系統(tǒng)的安全性，當(dāng)所申請的資源數(shù)量低于某一下限值時，還必須進(jìn)行管制，不予以分配。因此，當(dāng)進(jìn)程申請某類臨界資源時，在每次分配前，都必須測試資源數(shù)量，判斷是否大于可分配的下限值，決定是否予以分配
      • 操作
        • Swait(S1，t1，d1…Sn，tn，dn)
        • Ssignal(S1，d1…Sn，dn)
      • 特殊情況
• 經(jīng)典進(jìn)程的同步問題
  • 生產(chǎn)者–消費者問題
  • 哲學(xué)家進(jìn)餐問題
  • 讀者–寫者問題

進(jìn)程通信

進(jìn)程通信是指進(jìn)程之間的信息交換，又稱低級進(jìn)程通信

進(jìn)程通信的類型

• 共享存儲器系統(tǒng)
  • 基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式
    • 生產(chǎn)者和消費者
  • 基于共享存儲區(qū)的通信方式
    • 高級通信
• 管道通信系統(tǒng)(pipe)
  • 高級通信
• 消息傳遞系統(tǒng)
  • 高級通信
  • 方式分類
    • 直接通信
    • 間接通信
• 客服機–服務(wù)器系統(tǒng)

消息傳遞通信的實現(xiàn)方式

• 直接消息傳遞系統(tǒng)
• 信箱通信

線程的基本概念

線程的引入

• 線程的引入正是為了簡化線程間的通信，以小的開銷來提高進(jìn)程內(nèi)的并發(fā)程度
• 多線程并發(fā)的不足
  • 進(jìn)程的兩個基本屬性
    • 一個擁有資源的獨立單位，可獨立分配系統(tǒng)資源
    • 一個可獨立調(diào)度和分派的基本單位，PCB
  • 程序并發(fā)執(zhí)行所需付出的時空開銷
    • 創(chuàng)建進(jìn)程
    • 撤銷進(jìn)程
    • 進(jìn)程切換
  • 進(jìn)程間通信效率低
  • 將分配資源和調(diào)度兩個屬性分開
• 線程——作為調(diào)度和分派的基本單位
  • 進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配的單位，線程是處理器調(diào)度的單位
  • 線程表示進(jìn)程的一個控制點，可以執(zhí)行一系列的指令。通常，和應(yīng)用程序的一個函數(shù)相對應(yīng)
  • 進(jìn)程分解為線程還可以有效利用多處理器和多核計算機

線程與進(jìn)程的比較

• 不同點
  • 調(diào)度的基本單位
  • 并發(fā)性
• 相似點
  • 狀態(tài)：運行、阻塞、就緒
  • 線程具有一定的生命期
  • 進(jìn)程可創(chuàng)建線程，一個線程可創(chuàng)建另一個子線程
  • 多個線程并發(fā)執(zhí)行時仍然存在互斥與同步

線程的實現(xiàn)

• 線程的實現(xiàn)方式
  • 內(nèi)核支持線程KST
  • 用戶級線程ULT
  • 組合方式
• 多線程OS中的進(jìn)程屬性
  • 進(jìn)程是一個可擁有資源的基本單位
  • 多個線程可并發(fā)執(zhí)行
  • 進(jìn)程已不是可執(zhí)行的實體
• 線程的狀態(tài)和線程控制塊
  • 線程運行的三個狀態(tài)
    • 執(zhí)行狀態(tài)
    • 就緒狀態(tài)
    • 阻塞狀態(tài)
  • 線程控制塊TCB
    

思維導(dǎo)圖下載地址

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總結(jié)

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