操作系统第二章--进程的描述与控制

前趋图和程序执行

• 前趋图
  • 前趋图是一个有向无循环图DAG，用来描述进程之间执行的前后关系
  • 初始结点：没有前趋的结点
  • 终止结点：没有后继的结点
  • 重量：表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间
• 程序执行
  • 顺序执行
    • 顺序性
    • 封闭性：程序运行时独占全机资源
    • 可再现性
  • 并发执行
    • 间断性
    • 失去封闭性
    • 不可再现性

进程的描述

• 进程的定义和特征
  • 进程定义
    • 进程是程序的一次执行
    • 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时发生的活动
    • 进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  • 进程结构
    • 进程控制块PCB：使程序能独立运行
    • 程序段、相关的数据段、PCB
  • 进程特征
    • 动态性：它由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡
    • 程序是指令集是静态的，进程是动态的
    • 并发性：多个进程实体在一段时间内同时进行
    • 独立性：进程实体是独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位
    • 异步性：各进程独立、异步（速度不一致）地运行
  • 进程的基本状态和转换
    • 基本状态
      • 就绪状态：万事俱备，只差CPU资源
      • 执行状态：获得CPU资源，正在执行
      • 阻塞状态：由于突发事件，进程放弃处理机而处于暂停状态
    • 转换
      • 进程调度：就绪态-->运行态
      • 被高优先级任务抢占或超时：运行态-->就绪态
      • I/O请求：运行态-->阻塞态
      • I/O完成：阻塞态-->就绪态
  • 挂起操作
    • 执行的进程暂停下来，处于静止状态
  • 进程管理中的数据结构
    • 进程控制块的作用PCB
      • 独立运行基本单位的标志
      • 间断性运行：保护CPU现场
      • 进程管理：OS通过CPU对进程实施控制和管理
      • 进程调度：提供进程状态、优先级等信息
      • 进程同步与通信：消息队列指针，信号量
    • 进程控制块的内容
      • 进程标识符：唯一标识一个进程
        • 内部标识符：Pid
        • 外部标识符：进程的名字
      • 处理机状态：由各种寄存器内容构成
        • 通用寄存器
        • 指令计数器PC
        • 程序状态字PSW
        • 用户栈指针SP
      • 当进程切换时需要把当前进程的状态的内容保存在进程控制块中

• • • • 进程调度信息
        • 进程状态：sched.h定义了6个进程状态
        • 可运行状态
        • 可中断阻塞状态
        • 不可中断阻塞状态
        • 僵死状态
        • 暂停态
        • 交换态
        • 进程优先级
        • 其他信息：进程已执行时间
        • 事件：阻塞原因
      • 进程控制信息
        • 程序和数据地址：基地址
        • 进程同步和通信机制
        • 资源清单
        • 链接指针
    • 进程控制块的组织方式
      • 链接方式：指针指向PCB地址
      • 索引方式：通过不同状态的索引表指向PCB地址
      • 多级队列：按照不同状态组织PCB队列，同一状态按照优先级链接

进程控制

• • 原语：由若干条指令组成，用于完成一定功能
    • 是原子操作，一个操作中的所有动作要么不做，要么全做
  • 进程的创建
    • 进程图：描述一个进程的家族关系的有向图
      • 子进程可以继承父进程所拥有的资源
      • 当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的资源归还给父进程
      • 在撤销父进程时，也必须同时撤销其所有的子进程
    • 引导进程创建另一个进程的事件
      • 用户登录
      • 作业调度
      • 提供服务
      • 应用请求
    • 进程创建 fork（）函数
      • 申请空白PCB
      • 为新进程分配资源
      • 初始化进程控制块
      • 将进程插入就绪队列，启动调度
  • 进程终止 exit（）函数
    • 根据被终止进程的PID，找到PCB，读取进程状态
    • 若处于执行状态，则终止执行，重新调度
    • 若有子孙进程，则终止所有子孙进程
    • 归还所有资源给父进程或系统
    • 从所在队列移除终止进程PCB
  • 进程的阻塞与唤醒
    • 阻塞过程 block
      • 调用阻塞原语block把自己阻塞
      • 状态由执行改为阻塞，将PCB插入阻塞队列
      • 重新调度，将处理机分配给另一就绪进程
    • 唤醒过程 wakeup
      • 从阻塞队列中移除
      • 状态由阻塞改为就绪
      • PCB插入到就绪队列
  • 进程的挂起与激活
    • 挂起原语 suspend
      • 检查被挂起进程的状态
        • 活动就绪：静止就绪
        • 活动阻塞：静止阻塞
      • PCB复制到指定区域
    • 激活原语 active
      • 检查激活进程的状态
        • 静止就绪：活动就绪
        • 静止阻塞：活动阻塞

进程的同步

• • 进程同步的基本概念
    • 临界资源：互斥使用的资源
    • 临界区：访问临界资源的那段代码
  • 信号量机制
    • 按照功能分为
      • 互斥信号量：0或1
      • 资源信号量：数字表示资源的可用个数
    • 按照机制分为
      • 整型信号量：定义一个整型量，wait、signal，P、V操作
      • 记录型信号量：不存在忙等现象
      • AND型信号量：同步机制，原子操作
      • 信号量集：分配多个资源
  • 管程机制

经典进程的同步问题

• • 生产者/消费者问题
    • 生产者和消费者进程共享一个大小固定的缓冲区n
    • 分别设置两个指针in和out
      • in指向生产者将存放数据的存储单元
      • out指向消费者将取出数据的存储单元
    • 创建信号量实现生产者和消费者进程的同步
      • 互斥信号量mutex：进程对缓冲池互斥使用
      • 资源信号量empty：空缓冲区的数量
      • 资源信号量full：满缓冲区的数量
  • 读者/写者问题
    • 允许多个读者进程可以同时读数据
    • 写者进程互斥写数据
    • 若有写者进程正在写数据，则不允许读者进程读数据
    • 读者优先：只有当全部读者退出，才允许写者进入写数据
  • 哲学家进餐问题
    • 记录型信号量：wait、signal考虑左筷子和右筷子（可能存在死锁）
    • AND信号量：Sswait、Ssignat

进程通信

• • 进程通信的类型
    • 共享存储器系统
      • 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Pipe通信
      • 用于连接读写进程以实现通信的共享文件
    • 消息传递方式
      • 直接通信：利用OS提供的发送命令Send、Receive
      • 间接通信
        • 信箱：通过中间实体（如共享数据结构）
        • 消息队列：msgsnd、msgrcv、msgget

线程VS进程

• • 调度：线程是调度分配的基本单位，进程是拥有资源的基本单位
  • 并发性：线程并发执行效率更高
  • 拥有资源：线程仅有少量资源来完成运行需求，不拥有系统资源
  • 独立性：线程独立性更低
  • 系统开销：切换线程系统开销低

网站阅读

https://geminiplanet.cn/Operating-System-4/​geminiplanet.cn