DJ2-1 进程管理

2.1 前趋图和程序执行

2.1.1 前趋图

2.1.2 程序的顺序执行及其特征

2.1.3 程序的并发执行及其特征

2.2 进程的描述

2.2.1 进程的定义及特征

2.2.2 进程的基本状态及转换

2.2.3 进程挂起操作和进程状态的转换

区分：挂起与阻塞。

2.2.4 进程管理中的数据结构

2.1 前趋图和程序执行

2.1.1 前趋图

前趋图（Precedence Graph）是一个有向无循环图（DAG：Directed Acyclic Graph），用于描述进程之间执行的先后顺序。

2.1.2 程序的顺序执行及其特征

1. 程序的顺序执行

通常，一个应用程序由若干个程序段组成，每一个程序段完成特定的功能，它们在执行时，都需要按照某种先后次序顺序执行。仅当前一程序段执行完后，才运行后一程序段。

我们用结点（Node）代表各程序段的操作，其中 I 代表输入操作，C 代表计算操作，P 代表打印操作，用箭头指示操作的先后次序。

即使是一个程序段，也可能存在着执行顺序问题，下面示出了一个包含了三条语句的程序段：

s1: a := x + y;
s2: b := a - 5;
s3: c := b + 1;

2. 程序顺序执行时的特征

特征	解释
顺序性	处理机严格地按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在下一个操作开始之前结束
封闭性	程序运行时独占全机资源，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响
可再现性	只要程序执行时的环境和初始条件相同，都将获得相同的结果；不论它是从头到尾不停顿地执行，还是 “走走停停” 地执行

2.1.3 程序的并发执行及其特征

1. 程序的并发执行

对于具有下述四条语句的程序段：

s1: a := x + 2;
s2: b := y + 4;
s3: c := a + b;
s4: d := c + b;

2. 程序并发执行时的特征

特征	解释
间断性	由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系
失去封闭性	多个程序共享系统中的各种资源，即这些资源的状态将由多个程序来改变，致使其中任一程序在运行时，其环境都必然受到其它程序的影响
不可再现性	程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果必将与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性

举例

有两个循环程序 A 和 B 它们共享一个变量 N，假设 N 值为 n 。

程序 A 每执行一次时，都要做 N=N+1 操作；
程序 B 每执行一次时，都要执行 Print(N) 操作，然后再将 N 置成 0 。

程序 A 和 B 以不同的速度运行。

1）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之前执行

N=N+1        // n+1
Print(N)     // n+1
N=0          // 0

2）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之后执行

Print(N)     // n
N=0          // 0
N=N+1        // 1

3）N=N+1 在 Print(N) 和 N=0 之间执行

Print(N)     // n
N=N+1        // n+1
N=0          // 0

上述情况说明，程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果必将与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性。换而言之，程序经过多次执行后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。

2.2 进程的描述

2.2.1 进程的定义及特征

1. 进程的定义

典型的进程定义有：

1）进程是程序的一次执行。

2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。

3）进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

2. 进程的特征

1）结构特征

为使程序能独立运行，应为之配置一个进程控制块，即 PCB（Process Control Block）；而程序段、相关的数据段和 PCB 三部分便构成了进程实体。

所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的 PCB；而撤消进程，实质上是撤消进程的 PCB 。

上述 “程序” 包含了程序段和数据段。

2）动态性

进程的实质是进程实体的一次执行过程。

因此，动态性是进程的最基本的特征。动态性表现为 “它由创建而产生，由调度而执行，由撤消而消亡”。可见，进程实体有一定的生命期。

程序是一组有序指令的集合，其本身并不具有运动的含义，因而是静态的。

3）并发性：是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。

4）独立性：是指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。

5）异步性：是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，即进程实体按异步方式运行。

2.2.2 进程的基本状态及转换

1. 进程的三种基本状态

无论进程处于三种基本状态的哪一种，其程序段和数据段都是在内存里的。

1）就绪状态（Ready）：当进程已分配到除 CPU 以外的所有必要资源后，只要再获得 CPU，便可立即执行。

由进程调度算法来挑选下一个执行的进程。一般情况下，每个进程在加入就绪队列时就会比较优先级，每次调度时取位于就绪队列最前的进程即可。

2）执行状态（Running）：进程已获得 CPU，其程序正在执行。

时间片完时，进程回到就绪队列的末尾或者同级别进程的末尾。

3）阻塞状态（Blocked）：正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，把这种暂停状态称为阻塞状态，有时也称为等待状态。

如：需要从磁盘加载数据到内存中。现在笔记本的磁盘转速一般为 5400 转/min；转速越高，耗电越大。

2. 进程的五种基本状态

1）Ready：准备执行。

2）Running：占用处理机（单处理机环境中，某一时刻仅一个进程占用处理机）。

3）Blocked：等待某事件发生才能执行，如等待 I/O 完成等。

4）New：进程已经创建，但未被 OS 接纳为可执行进程，并且程序还在外存，PCB 在内存。

PCB 是直接在内存中创建的；当内存有空间时，才将程序段和数据段装载到内存中。

5）Exit：因停止或取消，被 OS 从执行状态释放。

阻塞队列

单阻塞队列
多阻塞队列

3. 进程的状态转换

处理机就是 CPU 。

1）空 → 新状态：新创建的进程首先处于新状态。

创建进程包括申请内存空间和创建 PCB 。

2）新状态 → 就绪状态：当系统允许增加就绪进程时，操作系统接纳新建状态进程，将它变为就绪状态，插入就绪队列中。

新状态是程序段和数据段与 PCB 的第一次分离，即程序段和数据段在外存，PCB 在内存。只有当内存有空间时，才会将其装载到内存，此时进程变为就绪状态。

3）就绪状态 → 执行状态：当处理机空闲时，将从就绪队列中选择一个进程执行，该选择过程称为进程调度，或将处理机分派给一个进程，该进程状态从就绪转变为执行。

4）执行状态 → 终止状态：执行状态的进程执行完毕，或出现诸如访问地址越界、非法指令等错误，而被异常结束，则进程从执行状态转换为终止状态。

5）执行状态 → 就绪状态：分时系统中，时间片用完，或优先级高的进程到来，将中断较低优先级进程的执行。进程从执行状态转变为就绪状态，等待下一次调度。

6）执行状态 → 阻塞状态：执行进程需要等待某事件发生。通常，会因为进程需要的系统调用不能立即完成，如读文件、共享虚拟内存、等待 I/O 操作、等待另一进程与之通信等事件而阻塞。

7）阻塞状态 → 就绪状态：当阻塞进程等待的事件发生，就转换为就绪状态。进入就绪队列排队，等待被调度执行。

4. 多个进程竞争内存资源

内存资源紧张。
无就绪进程，处理机空闲。

I/O 的速度比处理机的速度慢得多，可能出现全部进程阻塞等待 I/O 。如下图所示，一开始有四个进程处于就绪状态。处理机依次对各个进程进行处理，而这四个进程都需要等待 I/O 操作，因此最终都转换成了阻塞状态。又因为这四个进程占满了内存空间，故没有处于就绪状态的新的进程，从而导致处理机空闲。

解决方法：

1）采用交换技术：换出一部分进程到外存，以腾出内存空间。

首选换出处于阻塞状态的进程。

将内存中暂时不能运行的进程，或暂时不用的数据和程序，换出到外存，以腾出足够的内存空间；把已具备运行条件的进程，或进程所需要的数据和程序，换入内存。

进程被交换到外存，状态变为挂起状态。

2）采用虚拟存储技术：每个进程只能装入一部分程序和数据（存储管理部分）。

2.2.3 进程挂起操作和进程状态的转换

1. 进程的挂起状态

挂起状态：是指使执行的进程暂停执行，静止下来。

1）引入挂起状态的原因

终端用户的请求
父进程请求
负荷调节的需要
操作系统的需要

负荷调节的需要：当实时系统中的工作负荷较重，把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。参考上述例子。

操作系统的需要：操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。* 记账：比如租借算力或者显卡时需要计算费用。

2）被挂起进程的特征

不能立即执行
可能是等待某事件发生
使之挂起的进程为：自身、其父进程、OS
只有挂起它的进程才能使之由挂起状态转换为其他状态

可能是等待某事件发生：若是，则阻塞条件独立于挂起条件，即使阻塞事件发生，该进程也不能执行。* 阻塞条件独立于挂起条件：当进程处于挂起状态时，它所等待的事件依然可以处于处理中。但是即使所等待的事件发生了，该进程也不能被执行。

区分：挂起与阻塞。

进程是否等待事件，阻塞与否 ?
进程是否被换出内存，挂起与否？

进程是否阻塞和是否挂起并不冲突，可以既是阻塞状态又是挂起状态。

4 种状态组合

就绪：进程在内存，准备执行。
阻塞：进程在内存，等待事件。
就绪/挂起：进程在外存，只要调入内存即可执行。
阻塞/挂起：进程在外存，等待事件。

3）进程挂起状态的转换

Ready：活动就绪
Ready & Suspend：静止就绪
Blocked：活动阻塞
Blocked & Suspend：静止阻塞

程序段和数据段在外存就是静止。

2.2.4 进程管理中的数据结构

1. 进程控制块 PCB（process control block）

作用：是进程存在的唯一标志。

特点：常驻内存。

2. 进程控制块中的信息

不同 OS 中的 PCB 数据结构有所不同。

1）进程标识符

进程标识符用于唯一标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：

① 内部标识符。为每一个进程赋予一个唯一的数字标识符。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。

② 外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户（进程）在访问该进程时使用。

2）处理机状态

处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成：

① 通用寄存器

② 指令计数器

③ 程序状态字 PSW

④ 用户栈指针

3）进程调度信息

在 PCB 中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括：

① 进程状态

② 进程优先级

③ 进程调度所需的其它信息

④ 事件，阻塞原因

4）进程控制信息

① 程序和数据的地址

② 进程同步和通信机制

③ 资源清单

④ 链接指针

3. PCB 的组织方式

1）线性方式

将系统中的所有 PCB 组织在一张线性表中，将该表的首址存放在内存的一个专用区域中。

2）链接方式

把具有相同状态进程的 PCB 分别通过 PCB 中的链接字链接成一个队列。这样，可以形成就绪队列、若干个阻塞队列和空白队列等。

/* 等待队列示例 */
struct wait_queue {struct task_struct * task;struct wait_queue * next;
};

3）索引方式

系统根据所有进程状态的不同，建立几张索引表。例如，就绪索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在内存的首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。