第 3 章 进程

Posted 2021-03-18 astonc

　　进程是现代分时操作系统的工作单元。

　　进程是资源分配的基本单位。

　　线程是程序执行的最小单位。

3.1 进程概念

 

3.1.1 进程

　　进程是执行的程序，这是一种非正式的说法。进程不只是程序代码（也称文本段），进程还包括数据（程序计数器的值和处理器寄存器的内容等）、进程堆栈（包括临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量）和数据段（包括全局变量）和堆。　

　　　内存中的进程

 

 3.1.2 进程状态

　　新的（new）：进程正在创建

　　运行（running）：指令正在执行

　　等待（waitting）：进程等待发生某个时间（如I/O完成或收到信号）

　　就绪（ready）：进程等待分派处理器

　　终止（terminated）：进程已经完成执行

 

 3.1.3 进程控制块

　　操作系统内的每个进程表示，采用进程控制块（Progress Control Block，PCB），也称任务控制块。它包含于进程的相关信息：

• 进程状态：新的、就绪、运行、等待、停止等；
• 程序计数器：表示进程将要执行的下一个指令的地址；
• CPU寄存器：包括累加器、索引寄存器、堆栈指针、通用寄存器和其他条件码信息寄存器。发生中断时，这些状态信息与程序计数器一起需要保存；
• CPU调度信息：包括进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数；
• 内存管理信息：包括基地址和界限寄存器的值、页表或段表；
• 记账信息：包括CPU时间、实际使用时间、时间期限、记账数据、作业或进程数量等；
• I/O 状态信息：包括分配给进程的I/O设备列表等

3.1.4 线程

　　...

3.2 进程调度

　　多道程序设计的目标是，无论何时都有进程运行，从而最大化CPU利用率。分时操作系统的目的是在进程间快速切换CPU，以便用户在程序运行时能与其交互。为了满足这些目的，程序调度器选择一个可用进程到CPU上执行。单处理系统不会具有多个正在运行的进程。

3.2.1 调度队列

　　进程在进入系统时，会被加到作业队列（job queue），这个队列包括系统内的所有进程。

　　驻留在内存中的、就绪的、等待运行的进程保存在就绪队列。

　　等待特定 I/O 设备的进程列表被称为设备队列。每个设备都有自己的设备队列。

　　最初，新进程被加到就绪队列中等待，知道被选中执行。当该进程被分配到CPU上执行时，一下时间可能发生：

• 进程可能发出I/O请求，并被放到I/O队列。
• 进程可能创建一个子进程，并等待其终止。
• 进程可能由于中断而被强制释放CPU，重新回到就绪队列

　　前面两种情况，进程最终会从等待状态切换到就绪状态，并放回到就绪队列。进程重复这一循环知道终止，然后会从所有队列中删除，其PGB和资源也被释放。

3.2.2 调度程序

　　进程会在各种调度队列之间迁移，操作系统wield调度必须按一定方式从这些队列中选择进程。进程选择通过适当调度器或调度程序来执行。

　　通常，对于批处理系统，提交的进程多于可以立即执行的进程，这些进程会被保存到大容量存储设备（通常为磁盘）的缓冲池中，以便执行。长期调度程序从该池中你那个选择程序，加到内存，以便执行。短期调度程序或CPU调度程序从准备执行的进程中选择进程，并分配CPU。

　　这两种调度程序的主要区别是执行频率。

　　　　短期调度进程必须经常为CPU选择新的进程。

　　　　长期调度进程执行并不频繁。长期调度程序控制多道程序程度（内存中的进程数量）。长期调度程序进行认真的选择，应该选择I/O密集型和CPU密集型的合理进程组合。

　　有的操作系统如分时操作系统可能引入一个额外的中期调度程序。思想是可将进程从内存中换入换出。

3.2.3 上下文切换

　　当中断发生时，系统需要保存当前运行在CPU上的进程的上下文，以便在处理后能够恢复上下文，即先挂起进程，再恢复进程。进程上下文采用PGB表示。

　　切换CPU到另一个进程需要保存当前进程状态和恢复另一个进程的状态，这个任务称为上下文切换。

3.3 进程运行

　　大多数系统的进程能够并发执行，它们可以动态地创建和删除，因此操作系统必须提供机制，以创建进程和终止进程。

3.3.1 进程创建

　　进程（父进程）在执行的过程可以创建多个子进程，从而形成进程树。

　　大多数的操作系统对进程的识别采用的是唯一的进程识别符pid，通常是一个整数。

　　进程创建新进程时，父进程可以与子进程并发执行；父进程等待子进程部分或全部子进程执行完。

3.4 进程间的通信

　　操作系统的并发执行的程序可以是独立的也可以是协作的，与其他进程共享数据的是协作进程。允许进程协助的理由：信息共享、计算加速、模块化、方便。

　　协助进程需要一种进程间的通信机制，以允许进程相互交换数据和信息。进程间通信有两种基本模型：共享内存和消息传递。

　　　　共享内存模型会建立一块供协作进程共享的内存区域，进程提供向此共享区域读出或写入数据来交换信息。

　　　　消息传递模型提供在协作进程间交换消息来通信。

　　消息传递对交换较少的数据很有用，因为无需避免冲突。对于多核系统，消息传递的性能要优于共享内存。共享内存会有高速缓存一致性问题。