操作系统---（二）进程的描述与控制

进程的描述与控制

为了提高系统的吞吐量和资源利用率，引入了进程的概念，独立运行的单位指进程。进程是一个十分重要的概念

前驱图和程序执行

早期的操作系统是顺序执行的，仅当前一个程序执行完，才执行下一个操作。

前驱图

I代表输入，C代表计算，P代表输出，输入计算再输出，一直重复。

并发执行的前驱图

这样，I2与C1就可以同时执行。

由于引进了并发执行，程序的并发执行具有以下特征：

即间断性，失去封闭性，不可再现性。

进程描述 进程定义：

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

进程控制块(PCB)：
专门的数据结构，与进程一一对应。
即一个进程，就有一个PCB。管理进程实际上就是管理PCB来实现。
例如，下图就是windowsXP的进程

进程的特征：

其是，操作系统的特征就是来自进程的特征

• 动态性（生命周期）
• 并发性（一段时间同时运行）
• 独立性（基本单位）
• 异步性（按照各自的速度向前推进）

进程是活动的，程序是静态的，实际上进程就是程序的一次执行，进程是在内存中，程序是在外存中。

进程的状态

• 就绪状态
• 执行状态
• 阻塞状态

状态之间的转换

PCB是进程存在的唯一标记，
PCB的作用

• 作为独立运行的标志
• 实现间断运行方式
• 提供进程管理所需要的信息
• 提供调度所需要的信息
• 实现与其他进程的通信与同步

PCB的信息：

• 进程标识符
• 处理机状态
• 进程调度信息
• 进程控制信息

PCB的组织方式

• 线性方式
• 链接方式
• 索引方式

线性方式

管理方便，查找不便

链接方式

比较常见，实际上就是指针管理

索引表组织方式

进程控制

也称为成为进程操作，是进程管理的最基本功能，一般有os内核的原语实现
原语执行期间不允许被中断，要么执行，也么不执行。

进程控制包括

• 进程创建
• 进程终止
• 进程阻塞与唤醒
• 进程激活与挂起
  进程具有层次结构，是一颗有向树
  

进程创建过程

• 申请空白PCB
• 分配所需资源
• 初始化PCB
• 插入就绪队列

引起进程终止的事件

• 正常结束
• 异常结束
• 外界干预

进程终止的步骤

• 检索PCB，读取状态
• 根据状态，进行调度标志修改
• 子进程终止
• 归还资源给系统或者父进程
• 将PCB从所在队列移除

进程的阻塞与唤醒

进程阻塞

• 向系统请求资源失败
• 等待IO操作
• 等待新任务的到达

进程阻塞是自身的行为，具体过程是先停止执行，状态改为阻塞，将PCB插入阻塞队列
阻塞原语：Block

唤醒的原语Wakeup，是阻塞的逆过程，可能不是自身的行为。
具体过程是先从阻塞队列中移除，将状态改为就绪，将PCB插入就绪队列

必须成对出现Block跟Wakeup

进程的挂起跟激活

挂起原语：Suspend()
激活原语：Active()

进程通信

进程通信，就是进程之间的信息交换。

低级进程通信

• 效率低，交换量少

高级进程通信

• 效率高，普遍应用

共享存储器系统

• 通过共享内存（高级）
• 共享数据结构（效率低）

管道通讯

• 特性：一头进，一头出
• 管道实际上是一个pipe文件，是一个共享文件

消息传递机制

• 直接通信方式
  • 发送原语：send（receive，missage）
  • 接收者原语：receive（sender，missage）
• 间接方式（通过邮箱）
  • 信箱结构，首先要定义信箱结构
  • 发送原语：send（mailbox,message）
  • 接受原语：receive(mailbox,message)

客户服务器系统

• 套接字（Socket）
• 远程过程调用，以及Java的远程方法调用

Linux通信方式

Linux的通讯方式比较多样，简写为Linux IPC，一般有六种，包括管道，共享内存，信号，信号量，消息队列，套接字

线程的基本概念

比进程更小的概念：线程，提高系统效率

当初引入进程的目的是让多个程序并发执行，提高资源利用率

进程的属性：

• 是一个CPU调度单位
• 是一个处理的资源独立单位

1. 将进程一分为二，使线程作为调度和分派的基本单位，进程是拥有资源的基本单位，减少程序执行时的时空开销，线程是依附于进程而存在的。
2. 线程是调度的基本单位，不仅进程之间可以并发执行，并且一个进程的多个线程也可以并发执行。
3. 线程本身不拥有系统资源，仅有一点保证独立运行的资源，并且允许多个线程共享父进程所拥有的资源。
4. 同一个进程之间的不同线程独立性要比不同进程之间的独立性低
5. 线程比进程更支持多处理机系统
6. 线程的切换及撤销不涉及到资源分配，开销代价小于进程

线程三个基本状态

• 执行态
• 就绪态
• 阻塞态

线程控制块（TCB）

线程的实现

实现方式：

• 内核支持级KST
• 用户级线程（例如数据库管理系统）ULT

内核支持的优点

• 同时调度一个进程的多个进程
• 调度算法进程专用
• 实现与OS平台无关

ULT与KST的组合方式

• 多对一模式
• 一点一模型
• 多对多模型

多对一

多个用户级线程映射到一个内核线程

一对一

具有更好的并发性，但效率差，每个用户级线程映射到一个内核线程

多对多

多个用户级线程映射为等于或小于数目的内核线程，允许操作系统常见足够的KST。

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