操作系統-進程管理1

Posted 2021-03-13 lunar-ubuntu

操作系统-进程管理1

1. 进程的基本状态和转换

• 基本状态：

  • 就绪状态：外部条件已经满足，但因为得不到CPU资源，暂时无法运行
  • 执行状态：就绪状态得到CPU资源后进入执行状态
  • 阻塞状态：进程因为等待某件事情的发生而暂时不能执行，也就是不具备外部执行条件。

• 进程转换：

  进程在被挂起(suspend)之后进入静止状态，静止状态也分为就绪和阻塞。因此进程共有5种状态。通过Active激活原语可将静止进程转换到活动进程，同样通过suspend原语可以将活动进程变为静止进程，即为挂起。

1. Linux进程的状态

   Linux在内核中通过task_struct结构来表示，进程状态通过该结构的state成员来描述。

• TASK_RUNNING状态：该状态包括上述状态中运行和就绪状态，靠是否正在占用CPU资源进行区分，Linux中有current变量进行区分。
• TASK_INTERRUPTIBLE状态：可中断的等待状态，Linux把等待状态分为可中断的等待状态和不可中断的等待状态。可中断的意思是该进程的等待状态可以通过信号唤醒进入就绪状态。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE状态：不可中断的等待状态。
• TASK_STOPPED状态：一般由运行状态转换而来，等待某种特殊的处理。

1. 进程组成

• 程序：表示进程需要完成的功能
• 数据集合：表示进程需要处理的数据
• PCB(Process Control Block):PCB是用来描述进程当前的状态和本身的特性的数据结构。包含了一个进程的描述信息、控制信息和资源信息。PCB最早被创建，在进程完成其功能才被释放。PCB大致有四个部分：进程标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息。
  • 进程标识符：唯一地标识一个进程
    • 进程内部标识符：操作系统为每个进程赋予的唯一的数字表示符
    • 外部标识符：由创建者提供，由字母、数字组成。
  • 处理机状态：由处理机的各种寄存器的内容组成。当处理机被中断时，PCB要保留寄存器中的这些信息，以便在进程重新执行时能够从断点处继续执行。寄存器包括：通用寄存器、指令计数器、程序状态字PSW和用户栈指针。
  • 进程调度信息：与进程调度和进程对换有关的信息。包括进程状态、进程优先级、进程调度有关的信息和事件或阻塞原因(指进程由执行状态转变为阻塞状态所需要等待的发生的事件)。
  • 进程控制信息：
    • 程序和数据的地址：进程的程序和所需的数据所在的地址。程序在运行时可以从PCB中获得所需的数据的地址。
    • 进程同步和通信机制
    • 资源清单：一张除了CPU资源外，包含了进程所需的全部资源以及进程已经获取到的资源的清单。进程可以根据该清单确定是否已经满足外部条件进入就绪状态。
    • 链接指针：本进程PCB所在队列的下一个进程PCB的首地址。

1. PCB的组织方式

• 线性方式：系统预先确定整个系统同时存在的最大线程数目和静态分配空间。限定了同时存在的进程的最大数目，同时在进行进程调度时需要扫描整张表，效率比较低。
• 链接方式：按照进程的不同状态将其放在不同的队列中。在单CPU的情况下，运行状态的队列只有一个。其他的状态的队列可以有多个，按照不同的划分。对于就绪状态的队列，CPU调度程序总是把第一个PCB从该队列拿下投入运行队列。而新加入就绪队列的PCB按照某种调度算法进行插入。阻塞队列有多个，对应不同的阻塞原因。正在运行的进程由于某种原因进入阻塞状态时就会进入阻塞队列。Linux就是应用这种PCB的组织模式。
• 索引方式：建立几张索引表，如就绪索引表、阻塞索引表，表中记录了某个PCB在PCB表中的地址。

1. 进程控制

   进程控制即系统使用一个具有特定功能的程序段来创建、撤销进程以及完成进程各状态间的转换。

• 进程的家族关系：

  进程可利用系统调用功能来创建新进程，创建者称为父进程，被创建者称为子进程。子进程也可创建进程，从而形成一棵进程树。

  子进程的许多功能都是从父进程继承而来，包括：用户标识符、环境变量、打开文件、文件系统的当前目录、已经连接的共享存储区和信号处理例程入口表等。

  还有一种进程在系统启动时被创立，在系统停止时终止，有及其重要的地位。如UNIX系统的0^#进程和1^#进程。0^#进程是系统的调度和对换进程，1^#进程是创建进程，是所有进程的祖先进程。

  Linux系统由init()函数创建系统的第一个进程init，标识符为1，其完成一些初始化任务如打开系统控制台、安装根文件系统、启动系统的守护进程、执行系统的初始化程序等。init进程使用ect/inittab作为脚本文件创建新进程。

• 进程的创建与终止

  要运行程序必须要创建一个进程，导致进程创建的事件有用户登录、作业调度和为用户提供服务等。

  • 创建进程的步骤：

    • 申请空白PCB。为新进程获得一个唯一的进程标识符，并在PCB集合中申请一块空白的PCB。
    • 为进程分配资源。包括新进程的程序、数据及用户栈所需的内存空间。此时，系统必须知道新进程所需的内存大小。
    • 初始化进程控制块。
    • 将新进程的PCB插入就绪状态队列。

  • 终止进程：

    当系统发生了要求进程终止的事件，操作系统就调用终止进程的原语，终止进程。

    • 根据进程标识符从PCB队列中检索出该进程的PCB，读取其状态。
    • 若处于执行状态，则立即停止执行，停止后重新进行进程调度。
    • 检查该进程是否有子进程，若有，子进程全部终止。
    • 释放终止进程的资源，归还给父进程或系统。
    • 将该进程从PCB队列中移除。

• 进程的阻塞与唤醒。(比较简单，省略)

• Linux系统调用

  • fork()系统调用：Linux利用fork()系统调用创建一个新进程。调用格式通常为:int pid = fork();

    pid=0:创建子进程成功,表示从子进程返回，CPU正在运行该子进程。

    pid>0:创建子进程成功，表示从父进程返回，pid为新创建子进程的标识符。

    pid=-1：创建子进程失败

  • exec()系统调用：

    fork()系统调用创建的子进程和父进程执行的是同一段代码，但是完成的是不同的工作。Linux中fork()创建子进程后，可以由exec()系统调用执行另一个程序。

    调用格式为:

    int execl(path,arg0[,arg1,..],0)

    char *path,*arg0,*arg1..

    exec函数族的作用是根据文件名找到相应的可执行文件，也就是在调用进程的内部执行一个可执行文件。执行成功不会返回，失败返回-1

  • exit()系统调用：

    Linux利用exit来实现进程的自我终止。进程在调用exit()并非马上消失，而是进入了僵尸状态，它已经释放了除PCB外的几乎所有内存。

  • wait()系统调用：

    该调用将进程挂起，直到接收到终止信号。