王道操作系统OS第二章进程管理

Posted 2021-12-30 生命是有光的

✍、目录脑图

目录

• ✍、目录脑图
• 1、进程
• • 1.1、进程的组成--PCB
  • 1.2、进程的特征
  • 1.3、小结
• 2、进程的状态
• • 2.1、创建态、就绪态
  • 2.2、运行态
  • 2.3、阻塞态
  • 2.4、终止态
  • 2.5、进程状态的转换
  • 2.6、进程的组织
  • 2.7、小结
• 3、进程控制
• • 3.1、如何实现进程控制
  • 3.2、如何实现原语的"原子性"
  • 3.3、进程控制相关的原语
  • 3.4、小结
• 4、进程通信
• • 4.1、共享存储
  • 4.2、管道通信
  • 4.3、消息传递
  • 4.4、小结
• 5、多线程模型
• • 5.1、什么是线程
  • 5.2、引入线程的变化
  • 5.3、线程的属性
• 6、线程的实现方式
• • 6.1、用户级线程
  • 6.2、内核级线程
  • 6.3、多线程模型
  • • 6.3.1、一对一模型
    • 6.3.2、多对一模型
    • 6.3.3、多对多模型
  • 6.4、小结
• 7、进程调度
• • 7.1、调度的基本概念
  • 7.2、调度的三个层次
  • • 7.2.1、高级调度
    • 7.2.2、低级调度
    • 7.2.3、中级调度
  • 7.3、七状态模型
  • 7.4、三层调度的联系
  • 7.5、小结
  • 7.6、进程调度的时机
  • 7.7、进程调度的方式
  • 7.8、进程的切换与过程
  • 7.9、小结
• 8、调度算法的评价指标
• • 8.1、CPU利用率
  • 8.2、系统吞吐量
  • 8.3、周转时间
  • 8.4、等待时间
  • 8.5、响应时间
  • 8.6、小结
• 9、调度算法
• • 9.1、先来先服务
  • 9.2、短作业优先
  • 9.3、高响应比优先
  • 9.4、小结

1、进程

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。

进程：是动态的，是程序的一次执行过程。

1.1、进程的组成–PCB

• 当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的"身份证号" – PID(Process ID,进程ID)
• 操作系统要记录PID、进程所属用户ID(UID)[基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程]
• 还要记录给进程分配了哪些资源(如：分配了多少内存、正在使用哪些I/O设备、正在使用哪些文件)[可用于实现操作系统对资源的管理]
• 还要记录进程的运行情况(如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等)[可用于实现操作系统对进程的控制、调度]

这些信息都被保存在一个数据结构PCB(Oricess Control Block)中,即进程控制块，操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中。

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一个进程实体(进程映像)由PCB、程序段、数据段组成。进程是动态的，进程实体(进程映像)是静态的。

1.2、进程的特征

程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征：

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的。
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。
• 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接收调度的基本单位
• 异步性：各进程是按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题。
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB。从结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成

1.3、小结

2、进程的状态

2.1、创建态、就绪态

• 进程正在被创建时，它的状态是"创建态"，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB
• 当进程创建完成后，便进入"就绪态",处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行

2.2、运行态

• 当CPU空闲时，操作系统就会选择一个就绪进程，让它上处理机运行
• 如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程处于"运行态"

2.3、阻塞态

• 在进程运行过程中，可能会请求等待某个事件的的发生(如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应)

• 在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入"阻塞态"

• 当CPU空闲时，又会选择另一个"就绪态"进程上CPU运行

2.4、终止态

• 一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程。此时该进程会进入"终止态"，操作系统会让该进程下CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB，当终止进程的工作完成之和，这个进程就彻底消失了。

2.5、进程状态的转换

• 运行态->阻塞态 是一种进程自身做出的主动行为
• 阻塞态->就绪态 不是进程自身能控制的，是一种被动行为。

注意：不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态(因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求)

• 单CPU情况下，同一时刻只能会有一个进程处于运行态，多核CPU情况下，可能有多个进程处于运行态。

• 阻塞态又称等待态、创建态又称新建态，终止态又称结束态

• 进程PCB中，会有一个变量state来表示进程的当前状态。如：1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态…为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来

2.6、进程的组织

进程的组织方式分为链接方式和索引方式：

2.7、小结

3、进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。简单理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

3.1、如何实现进程控制

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

思考：为什么进程控制(状态转换)的过程要"一气呵成"？

如果不能"一气呵成",就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

3.2、如何实现原语的"原子性"

原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。

可以使用"关中断指令"和"开中断指令"这两个特权指令来实现原子性。CPU执行了"关中断指令"之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。这样，关中断、开中断之间的这些指令就是不可被中断的，这就实现了"原子性"。

3.3、进程控制相关的原语

进程创建的原语：

进程终止的原语：

进程的阻塞和唤醒原语：

进程的切换原语：

3.4、小结

学习技巧：进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：

1. 更新PCB中的信息

   a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志

   b. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境

   c. 某进程开始运行前必然要恢复期运行环境

2. 将PCB插入合适的队列

3. 分配/回收资源

4、进程通信

进程通信就是指进程之间的信息交换。

进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间)，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。但是进程之间的信息交换又是必须实现的，为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。

4.1、共享存储

• 两个进程对共享空间的访问必须是互斥的(互斥访问通过操作系统提供的工具实现)，当进程1在向共享空间写数据时，进程2是不允许访问共享空间的。
• 操作系统只负责共享空间和同步互斥工具(如P、V操作)

共享存储分为基于数据结构的共享和基于存储区的共享。

• 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢，限制多，是一种低级通信方式
• 基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。

4.2、管道通信

1. 管道只能采用半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信,则需要设置两个管道。
2. 各进程要互斥地访问管道
3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程 的write()系统调用将被阻塞,等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后,管道变空,此时读进程的read()进程调用将被阻塞。
4. 如果没写满,就不允许读。如果没读空,就不允许写。
5. 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

4.3、消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息(Message)为单位。进程通过操作系统提供的"发送消息/接收消息"两个原语进行数据交换。

消息传递分为直接通信方式和间接通信方式：

• 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
• 间接通信方式：消息要先发送到中间实体(信箱)中，因此也称"信箱通信方式"。

4.4、小结

5、多线程模型

5.1、什么是线程

有的进程可能需要"同时"做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入了"线程",来增加并发度。

传统的进程是程序执行流的最小单位，引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位。

可以把线程理解为"轻量级进程"，线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务(如QQ视频、文字聊天、传文件)，引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元(如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)，线程则作为处理机的分配单元。

5.2、引入线程的变化

5.3、线程的属性

6、线程的实现方式

6.1、用户级线程

早期的操作系统(如:早期Unix)只支持进程，不支持线程。当时的"线程"是由线程库实现的。

1. 用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责(包括线程切换)。

2. 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。

3. 在用户看来,是有多个线程，但是在操作系统内核看来,并意识不到线程的存在。“用户级线程"就是"从用户视角能看到的线程”。

4. 优缺点：

   优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高

   缺点：当一个用户及线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高，多个进程不可在多核处理机上并行运行。

6.2、内核级线程

内核级线程：又称内核支持的线程，由操作系统支持的线程

1. 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。

2. 线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

3. 操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB(Thread Control Block,线程控制块),通过TCB对线程进行管理。"内核级线程“就是”从操作系统内核视角能看到的线程"

4. 优缺点

   优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

   缺点：：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

6.3、多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型。

6.3.1、一对一模型

• 一对一模型：一个用户级线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
• 优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
• 缺点：：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。

6.3.2、多对一模型

• 多对一模型：多个用户及线程映射到一个内核级线程。且一个进程只被分配一个内核级线程。
• 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
• 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行

重点：操作系统只"看得见"内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位

6.3.3、多对多模型

• 多对多模型：n个用户级线程映射到m个内核级线程(n>=m)。每个用户级进程对应m个内核级进程
• 优点：克服了多对一模型并发度不高的缺点(一个阻塞全体阻塞)，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

6.4、小结

7、进程调度

7.1、调度的基本概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是"调度"研究的问题。

7.2、调度的三个层次

7.2.1、高级调度

高级调度(作业调度)：按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会创建PCB，调出时才撤销PCB。

• 简化理解：好几个程序需要启动，到底先启动哪个
• 作业：一个具体的任务
• 用户向系统提交一个作业 = 用户让操作系统启动一个程序(来处理一个具体的任务)

7.2.2、低级调度

低级调度(进程调度/处理机调度)：按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。

进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。进程调度的频率很高，一般几十毫秒一次。

7.2.3、中级调度

内存不够时，可将某些进程的数据调出外存。等内存空闲或者进程需要运行时再重新调入内存。

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列

中级调度(内存调度)：按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

7.3、七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为"挂起状态(挂起态)"，挂起态又可以进一步细分为就绪挂起、阻塞挂起两种状态。

挂起和阻塞的区别：

• 两种状态哦都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。
• 有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原因再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

7.4、三层调度的联系

	要做什么	调度发生在	发生频率	对进程状态的影响
高级调度 (作业调度)	按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并为其创建进程	外存->内存 (面向作业)	最低	无->创建态->就绪态
中级调度 (内存调度)	按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存	外存->内存 (面向进程)	中等	挂起态->就绪态(阻塞挂起->阻塞态)
低级调度 (进程调度)	按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机	内存->CPU	最高	就绪态->运行态

7.5、小结

7.6、进程调度的时机

进程调度(低级调度)：就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

需要进行进程调度与切换的情况如下图：

不能进行进程调度与切换的情况：

• 有的系统中，只允许进程主动放弃处理机
• 有的系统中，进程可以主动放弃处理机，当有更紧急的任务需要处理时，也会强行剥夺处理机(被动放弃)
• 进程在普通临界区是可以进行调度、切换的。

---

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。 (√)

进程处于临界区时不能进行处理机调度。(×)

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源，各进程需要互斥地访问临界资源。

临界区：访问临界资源的那段代码。

内核程序临界区一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）

7.7、进程调度的方式

• 非剥夺调度方式,又称非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
  • 实现简单，系统开销小但是无法及时处理紧急任务，适合于早期的批处理系统
• 剥夺调度方式,又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。
  • 可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）。适合于分时操作系统、实时操作系统。

7.8、进程的切换与过程

“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：

• 狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程,也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换)
• 进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。

广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

进程切换的过程主要完成了：

1. 对原来运行进程各种数据的保存
2. 对新的进程各种数据的恢复(如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块)

注意：进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。

7.9、小结

8、调度算法的评价指标

8.1、CPU利用率

由于早期的CPU造价极其昂贵，因此人们会希望让CPU尽可能多地工作

CPU利用率: 指CPU “忙碌”的时间占总时间的比例。 利用率 = (忙碌的时间)/(总时间)
$$利用率=\frac{忙碌的时间}{总时间}$$

8.2、系统吞吐量

对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业

系统吞吐量:单位时间内完成作业的数量。系统吞吐量 = (总共完成了多少道作业)/总共花了多少时间

$$系统吞吐量=\frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间}$$

8.3、周转时间

对于计算机的用户来说，他很关心自己的作业从提交到完成花了多少时间。

周转时间:指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。它包括四个部分

• 作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间
• 进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间
• 进程在CPU上执行的时间
• 进程等待I/O操作完成的时间

后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次。

周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间。[对于用户来说，更关心自己的单个作业的周转时间]

平均周转时间 = (各作业周转时间之和)/作业数。[对于操作系统来说，更关心系统的整体表现，因此更关心所有作业周转时间的平均值]

带权周转时间

$$平均周转时间=\frac{各作业周转时间之和}{作业数}$$

$$带权周转时间=\frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}=\frac{作业完成时间-作业提交时间}{作业实际运行的时间}$$

带权周转时间必然≥1,且带权周转时间与周转时间都是越小越好。
$$平均带权周转时间=\frac{各作业带权周转时间之和}{作业数}$$
对于周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业在相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高。

对于实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高。

8.4、等待时间

计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机

等待时间：指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。

对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。

对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。

一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

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8.5、响应时间

对于计算机用户来说，会希望自己的提交的请求（比如通过键盘输入了一个调试命令）尽早地开始被系统服务、回应。

响应时间:指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

8.6、小结

9、调度算法

进程管理(二[1])

(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第三节9：读者写者问题

王道操作系统OS进程管理

王道操作系统OS进程管理

(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第三节8：经典同步问题之吸烟者问题

(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第三节11：哲学家进餐问题