-进程

Posted 2022-01-25 吹灭读书灯 一身都是月

文章中的GoodNotes截图来源于我的学姐🥰

第二章 进程的描述与控制

2.1 前趋图和程序执行

1. 前驱图3

   定义：前趋图是一个有向无环图(DAG)，用于描述进程之间执行的前后关系，其实就是一个拓扑排序。（前驱图中禁止循环）

   不存在前驱关系的程序之间才能并发执行

2. 程序的顺序执行及其特性

   程序是指令（或语句）的集合，指令之间是顺序关系

   三个特点：

   • 顺序性
   • 封闭性（程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素的影响）
   • 可在现性（程序执行的结果与它的执行速度无关(即与时间无关)，而只与初始条件有关）

3. 程序的并发执行及其特征

上图中可以抽象出四个程序，列出其前趋图，发现S1和S2互不干扰（没有前驱关系），可以并发执行。

2.2 进程的描述

2.2.1进程的定义和特征

1、定义

• 进程：在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位，是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。
• 进程的结构： 程序+数据+PCB

进程控制块(Processing Control Block)是系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构。系统用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。同时，系统可以利用PCB来控制和管理进程，所以说，PCB是系统感知进程存在的唯一标志。

2、特性

• 动态性 可动态地创建、结束进程,进程由创建而产生，由调度而执行，有撤销而消亡。
• 并发性 多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。
• 独立性 独立运行
• 制约性（异步性） 因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约，按各自独立的、不可预知的速度向前推进

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

引入进程的目的：使多个程序能并法执行，提高资源利用率和系统吞吐量

2.2.2进程的基本状态转换

1、进程的三种基本状态

(1)就绪状态(Ready)

进程已获得除CPU之外的所有必需的资源，一旦得到CPU控制权，立即可以运行。

(2)运行状态(Running)

进程已获得运行所必需的资源，它正在处理机上执行。

(3)阻塞状态(Blocked)

正在执行的进程由于发生某事件（如等待I/O）而暂时无法执行时，便放弃处理机CPU而处于暂停状态，称该进程处于阻塞状态或等待状态。

2、创建状态和终止状态

• 创建态
  进程正在被创建，操作系统为该进程分配系统资源、初始化PCB。
• 终止态
  进程正在被撤销，操作系统会回收该进程拥有的系统资源、撤销PCB。

3、挂起状态

挂起进程即把进程放在外存中。

原因：

1. 终端用户的请求
2. 父进程请求挂起子进程
3. 负荷调节
4. 操作系统需要

2.2.3 进程控制块（Process Control Block）

1、作用

包含进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息。【常驻内存】

2、进程控制块中的信息

3、进程控制块的组织方式

2.3 进程控制

是进程管理中最基本的功能，包括：

1. 创建一个进程

2. 终止一个进程

3. 进程运行中的状态转换

   由OS内核—操作系统内核实现

   问：什么是处理机的内核模式？

   内核：把常用的或与硬件关联度高的模块打包放到离硬件进的地方，常驻内存，提高效率。OS的内核运行在处理机的内核模式下，并在该模式下提供所有OS应具备的功能。

   一般OS内核的功能：

   • 支撑功能（底层）：中断处理，时钟管理，原语操作
   • 资源管理功能：进程管理，存储管理，设备操作

• 目态(用户态)，具有低特权，仅能执行规定的指令，仅可访问规定寄存器和内存【应用程序在目态下执行】
• 管态（系统态|内核态），具有高特权，能执行一切指令，可访问所有寄存器和内存【OS在管态下执行】

2.3.1 进程的创建

1、引起进程创建的事件

2、进程的创建

2.3.2 进程的终止

• 正常结束：批处理最后的Halt指令、分时的logs off 等
• 异常结束：越界错误、非法指令等
• 外界干预：操作员或操作系统干预、父进程请求、父进程终止

2.3.3 进程的阻塞与唤醒

1、引起阻塞的事件

• 向系统请求共享资源失败
• 等待某种操作的完成，如I/O
• 新数据尚未到达
• 等待新任务的到达

进程用阻塞原语block()将自己阻塞，是进程自身的主动行为

2、进程的阻塞过程

3、进程的唤醒过程

由有关进程调用唤醒原语wakeup()（阻塞进程不能唤醒自己）

唤醒：进程状态由阻塞 —> 就绪；

• 被阻塞的进程所期待的事件出现时，如I/O完成或者其所期待的数据已经到达，则由有关进程（比如，用完并释放了该I/O设备的进程）调用唤醒原语wakeup()，将等待该事件的进程唤醒。

• 唤醒原语执行的过程是：首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，然后再将该PCB插入到就绪队列中。
  

父子进程哪些共享，哪些私有？

1. 父子进程各自分支中的程序私有，创建前和分支结束后为父子进程共享
2. 如果子进程在其分支结束处使用exit()进程终止执行，则不会共享分支结束后的程序段
3. 在各自的if中属于各自进程

2.4 进程同步

2.4.1 进程同步的基本概念

1、进程同步：在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系。

（1）间接制约：互斥关系，排他性地对独占性资源的访问

（2）直接制约：同步关系，多个进程的执行有先后顺序的限制

2、 临界区

• 临界资源：一段时间内只允许一个进程访问的资源称为临界资源或独占资源。

• 临界区(critical section)：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区，每次只允许一个进程进入临界区，进入后，不允许其他进程进入。

• 进入区(entry section)：用于进入临界区前检查临界区是否已经被访问。

• 退出区(exit section)：将临界区正在被访问的标志恢复成未被访问。

• 剩余区(remainder section)：进程中其他部分称为剩余区。

3、同步机制应遵循的原则

• 空闲让进：没有进程在临界区时，任何进程可进入
• 忙则等待：有进程在临界区时，其他进程均不能进入临界区
• 有限等待：等待进入临界区的进程不能无限期等待
• 让权等待：不能进入临界区的进程，应释放CPU（如转换到阻塞状态）

2.4.2 硬件同步机制

1. 关中断

   在进入锁测试之前关闭终端，直到完成锁测试并上锁之后才能打开中断

2. 用Test-and-Set指令（TS：读后置1）实现互斥

   lock表示临界资源的锁，当lock为false时表示资源是空闲的

3. Swap指令（i386：XCHG指令实现）

硬件指令缺点

当临界资源忙碌时，其他访问进程必须不断进行测试，处于**“忙等”**，一直做空循环

2.4.3 信号量机制

1、整形信号量

自旋锁这个概念是相对于互斥锁而言的。对于自旋锁，当一个进程不能得到锁资源时，并不会放弃CPU而进入阻塞状态，而是不断地在那里进行循环检测，因此称它为自旋锁。

无忙等待锁的基本思想和自旋锁是一样的，只是一旦进程不能进入临界区，则将它加入等待队列，并且进入阻塞状态。在一个进程释放了锁资源后，再挑选等待队列中的一个阻塞进程，并将它唤醒。

S整形量表示资源数量；

wait(S)和signal必须成对出现，缺少则资源用不释放

wait  //P操作用来申请资源
	while(S <= 0);   //没有资源的话做空循环：“忙等”
	S--;

signal //V操作用来释放资源
	S++;

PV操作既能用来解决进程互斥问题，又能用于解决同步问题：

P：用于测试自己进程所需的信息是否到达；

V：用于进程向其他进程发送信息；

• 二元信号量：互斥变量，处值为1；
• 一元信号量：同步，处值为共享资源初始数量

2、记录型信号量

3、AND型信号量

即将需要的所有资源全部分配给进程

4、信号量集

问题：

1. 一次所需的N类资源时，执行N次wait操作低效
2. 当资源数量低于某一下限时，不予分配

2.5 经典的进程同步问题

2.5.1 生产者-消费者问题

2.5.2 总结

2.5.2 哲学家进餐问题

桌上的筷子是临界资源，每人间有1只筷子；

3种解决办法：

1. 至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子。

2. 仅当哲学家的左、右两只筷子均可用时，才允许他拿起筷子进餐。(AND信号量)

3. 规定奇数号哲学家先拿他左边的筷子，然后再去拿右边的筷子；而偶数号哲学家则相反。

2.5.3 读者-写者问题

“读者优先”，即一旦有读者正在读数据，允许多个读者同时进入读数据，只有当全部读者退出，才允许写者进入写数据。
“写者优先”，即当一个写进程想进行写操作时，已在等待的读者以及后续的读者必须等写操作完成后，才能进行读操作。

2.6 进程通信

分类：

1. 低级通信：交换信息量少。通信由程序员完成，用PV原语实现进程的互斥、同步

2. 高级通信：信息量大。系统提供高效、简捷的信息传输命令

   • 共享存储器系统：①共享数据结构 由程序员完成，效率低，量少

     ​ ②共享存储区 进程可随时间系统请求一块存储区

   • 管道通信

   • 消息、传递系统：直接通信和间接通信

   • 客户机—服务器系统

2.7 线程

一、线程的引入

为了支持进程内多道程序而设计

二、线程的状态

①执行状态 ②就绪状态 ③阻塞状态

三、线程和进程的比较

1. 线程作为调度的基本单位，开销更小
2. 并发性：一个进程的多个线程可以并发；不同进程的线程也可以并发
3. 拥有资源：线程基本上无系统资源，只有一点必不可少的、保证独立运行的资源
4. 独立性：在同一进程中的不同线程之间的独立性比不同进程之间的独立性低
5. 系统开销低
6. 线程能支持多处理机系统

四、多线程中的进程