知识储备_计算机操作系统：进程管理

进程管理

进程的基本概念

进程的特征与定义

定义：作为资源分配和独立运行的基本单位，引入进程的目的是使多个程序能并发执行，且对并发执行的程序加以描述和控制

特征：

1)结构特征：进程实体对应于一个进程，进程实体的创建指的是进程实体中PCB(process control block：进程控制块)

2)并发性：进程实体(要创建了相应的PCB)存于内存中，在一段时间内同时运行

3)独立性：进程实体能独立运行 + 独立分配资源 + 独立调度

4)异步性：进程的执行顺序和执行时间的不确定性，但是可以引入进程同步机制，使得进程按我们想要的结果方式运行

进程的状态(三种基本状态和其它状态)

1)就绪状态：可以获得但还未获得CPU资源；有多个，形成就绪队列

2)执行状态：获得CPU，正在执行

3)阻塞状态：CPU无法继续执行该进程，进入阻塞状态，譬如IO请求，形成阻塞队列



4)挂起状态(人为)

中断用户的请求，将正在运行的程序停止下来，进程就处于挂起状态

5)创建状态

进程创建状态过程：为进程创建PCB，把进程转入就绪状态并插入就绪队列

6)终止状态：释放PCB所占用的资源



进程控制块PCB

1) PCB概述：系统会为每一个进程创建一个相应的数据结构PCB，操作系统就是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理。PCB描述了一个进程当前状态及控制进程运行的全部信息

2) PCB中的信息(了解即可)

1、为了描述和控制进程的运行，系统为进程定义的数据结构

2、PCB常驻内存

进程控制

进程控制主要涉及到进程的创建、终止以及进程运行过程中状态的转换，它们一般是通过原语来实现的(原语：原子性操作，不可分割)

进程的创建

步骤为：申请空白的PCB—为进程分配相应的内存资源—初始化PCB—插入到就绪队列

进程的终止

步骤为：根据进程标识符，找出该进程对应的PCB—停止该进程及其子进程的运行—释放PCB所占用的资源

进程的阻塞与唤醒

阻塞步骤为：停止进程的运行——将进程从执行状态变为阻塞状态——插入到阻塞队列

唤醒步骤为：从阻塞队列中移出—将进程从阻塞状态变为就绪状态—插入到就绪队列

进程的挂起与激活

进程同步

在多道程序系统中，各进程以异步的方式执行，这就很容易导致程序执行结果的不可再现性，譬如说它们在争用临界资源的时候。因此用引入进程同步机制来协调各进程的执行，使程序的执行结果具有可再现性。

进程同步的基本概念

1) 进程间两种形式的制约关系

a、进程互斥关系：例如对临界资源的访问(打印机)

b、进程同步关系：进程间直接的相互制约关系(AB进程直接相关)

2) 临界资源：进程采用互斥的方式访问临界资源(生产者-消费者中的缓冲池)

3) 临界区：进程访问该临界区时，检查是否该临界资源现在是否被访问，如果没被访问则进入该临界区，并设置该临界区为访问状态，否则等待。

信号量机制

操作系统中采用信号量机制作为实现进程同步的有效工具

信号量集的发展过程：

1)整型信号量

S：资源数目

Wait(S)：while S < 0 等待(忙等); S = S-1 获得资源

Signal(S)：S= S+ 1 释放资源

缺点：忙等

2) 记录性信号量

S：是一种数据结构

S.value：绝对值为等待资源进程的个数

S.L：等待资源进程链表

缺点：只共享一种临界资源

3) AND型信号量

共享多个临界资源，一次性把所有临界资源分配给进程，进程使用完之后再一起释放

缺点：一次只能分配一个临界资源 + 当资源小于某个临界值时，不予分配

4)信号量集

之前的只能获取和释放一个临界资源

当资源数目小于某一下限值得时候不予分配

Swait(信号量i，下限值i，需求值i)

管程机制

(一种新的进程同步进制)

1)管程：代表共享资源的数据结构 + 对共享资源的并发操作

2)管程每次只允许一个进程访问，从而实现进程互斥访问资源

3)假如一个进程调用了管程，在管程中挂起，如果在此期间不释放管程资源，则其他进程无法访问管程资源，这里采用了条件变量的方法解决这个问题

4)根据挂起或阻塞的条件不同，在管程中设置多个条件变量，对条件变量的操作仅仅是wait和signal，每个条件变量对应于一个链表

x.wait：正在调用管程的进程由于条件x而被阻塞或挂起，将进程插入到x条件的等待队列上

x.signal：x条件发生变化，重启一个因为x条件而阻塞或挂起的进程

经典的进程同步问题

1. 生产者-消费者

2. 哲学家进餐

3. 读者-写者问题

4. 生产者-消费者

进程通信

1. 进程之间的通信要兼顾进程同步问题(互斥和同步)，信号量机制作为进程同步机制很有效，但不能作为进程通信进制(效率低 + 不透明)。

2. 低级进程通信：进程的同步和互斥(因为要交互的数据少)；高级进程通信：共享存储器系统 + 消息传递系统 + 管道通信系统

3. 共享存储器系统：共享数据结构 + 共享存储区

2. 如今最常用的进程通信方式是消息传递系统，进程之间可直接发送消息(报文)通信，该方法称为直接通信方式(例如原语：send(Receiver, message) + Reveive(sender, message))。间接通信方式需要通过一个共享的数据结构实体(信箱)。(设有消息缓冲队列)

3. 管道通信系统：用于连接一个读进程和一个写进程的共享文件

3. 但在消息传递实现进程通信也会存在一些问题：通信链路，消息的格式，进程同步的方式

线程

在没有引入线程概念之前，进程的定义为：作为资源分配、独立运行和调度的基本单位。而引入线程概念后，把进程作为资源分配的基本单位，而把线程作为独立运行和调度的基本单位。

引入线程的目的是：提高程序的并行执行程度，进一步提高系统吞吐量

线程的实现方式

1、内核支持线程：线程的创建、切换、撤销都是在内核中进行的，内核通过TCP对线程进行管理

2、用户级线程(更有效)：线程的创建、切换、撤销都与内核无关；仅存在于用户空间中；但调度仍是一进程为单位的

3、组合方式