[OS] 第二章 进程管理

进程管理
* 进程的基本概念 ： 程序在并发环境中的执行过程, 资源分配和独立运行的基本单位
* 进程与程序的区别
程序顺序执行的特征 { 1, 顺序性 2, 封闭性 3, 可再现性 }
程序并发执行的特征 { (1), 间断性       共享、合作、制约导致：执行—暂停—执行
(2), 失去封闭性   资源状态由多程序改变
(3), 不可再现性   相同环境和初始条件，重复执行结果不同。}
* 进程控制 *
* 进程同步 *
* 进程通信 *
* 线程
进程的特征 {
1, 结构特征  {
进程结构  {
PCB 进程控制块  ->  动态特征的集中反映 [头脑] [记载很多信息，通话本地长途。。。常驻内存]
程序段          ->  描述要完成的功能   [身子] [可能是动态调入的]
数据段          ->  操作对象及工作区   [身子] [游戏地图]
}
2, 动态性  {
进程最基本的特征是动态性
进程的生命周期：进程由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡的过程。
}
3, 并发性 { 多个进程同在内存中，且能在一段时间内同时运行。}
4, 独立性 { 进程是一个能独立运行、独立分配资源、独立接受调度的基本单位。}
5, 异步性 { 进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。}
}
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基本单位。

进程和程序的关系 {
（1）进程是一个动态概念，程序是一个静态概念。
（2）进程具有并行特征，程序没有。
（3）进程是竞争资源的基本单位
（4）一个程序对应多个进程，一个进程为多个程序服务。
}
进程的三种基本状态 {
1, 就绪状态  [万事俱备，只欠东风] [进程已经分配了除处理机以外的所有必要资源，只要再获得处理机就能够执行的状态。这样的进程可能有多个，通常排成一个队列，称就绪队列。]
2, 执行状态  [已经获得CPU，正在运行。在单处理机系统只有一个进程处于执行状态。多处理机系统则有多个处于执行状态。]
3, 阻塞状态  [正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，放弃处理机而进入的状态，又称等待状态。引起阻塞的事件：请求I/O,申请缓存。]
}
进程的基本状态转换
图片
挂起状态  {
引入原因：
（1）终端用户请求
（2）父进程请求
（3）负荷调节需要 [实战OS多用]
（4）操作系统的需要
}
挂起引起的状态转换
静止状态  <->  活动状态
^             ^
|             |
V             V
挂起状态  <->  非挂起状态
PCB 进程控制块 {
PCB是OS中最重要的记录型结构。
OS用PCB对并发进程进行管理和控制。
PCB是进程存在的唯一标志。
PCB常驻内存。
OS专门开辟PCB区将所有的PCB组织成若干个链表或队列。
}
PCB中的信息 {
（1）进程标识符 {
（1）内部标识符
进程唯一的数字编号，给OS使用。
（2）外部标识符
由字母、数字组成，给用户使用。
}
（2）处理机状态  {
处理机中主要的寄存器：
（1）通用寄存器  8-32个，暂存信息用
（2）指令计数器  要访问的下一条指令地址
（3）程序状态字PSW  条件码、执行方式、中断屏蔽标志
（4）用户栈指针  用户进程拥有的系统栈，存放过程和系统调用参数及调用地址。
}
（3）进程调度信息
进程状态  进程优先级  与调度算法有关信息    事件 { 如：阻塞原因 }
（4）进程控制信息  {
程序和数据地址
进程同步和通信机制
资源清单：除CPU之外的所需资源与已经分配资源清单
链接指针：本进程PCB所在队列的下一个地址。
}
}
PCB的组织方式
（1）链接方式
把统一状态的PCB，用其中的链接字链接成一个队列。如：就绪队列、阻塞队列（根据不同阻塞原因）、空白队列。
（2）索引方式
建立就绪索引表、阻塞索引表等。把索引表在内存的首地址放在内存的专用单元中。
OS-6 ： 进程管理
进程管理中最基本功能是进程控制
进程控制任务：
进程的创建、终止、进程状态的转变等
进程控制一般由OS内核来实现。
进程图 : 进程是一个家族关系，子进程可以继承父进程的资源。
引起创建进程的事件 {
（1） 用户登录。 比如 ：unix
（2） 作业调度。 [批处理系统，在外存中选择一个或多个调入内存]
（3） 提供服务。 [OS向用户提供服务，比如打印什么的...]
（4） 应用请求。 [由自己来创建自己的子进程] [1,2,3由内核管理]
}
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进程的创建 { 4步
* 原语CREAT()按下述步骤创建一个新进程。
(1), 申请空白 PCB
(2), 为新进程分配资源。
(3), 初始化进程的控制块
(4), 将新进程插入就绪队列
}
PCB的初始化
(1), 初始化标识信息
(2), 初始化处理机状态信息
(3), 初始化处理机控制信息

引起进程终止的事件 {
(1), 正常结束
(2), 异常结束 {越界，运行超时，特权指令错，...}
(3), 外界干预
(1), 操作员或OS干预 (2),被父进程终止 (3) 父进程终止
}
进程的终止过程 {
从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态。
若处于执行状态，终止该进程的执行，并置调度标志为真，重新调度。
若有子孙进程，将所有子孙进程终止。
将进程全部资源归还其父进程或系统。
将其PCB从所在队列（或链表）中移出
}
引起阻塞和唤醒的事件 {
(1), 请求系统服务
(2), 启动某种操作
(3), 新数据尚未到
(4), 无新工作可做
}
由阻塞原语BLOCK 完成
进程阻塞过程  {
入口
|
保存当前进程的CPU现场
|
置该进程状态
|
进入等待队列 [阻塞队列]
|
转进程调度
}
由唤醒原语WAKEUP  完成
进程唤醒过程 {
入口
|
从等待队列中摘下被唤醒进程
|
置该进程为就绪 态
|
进入就绪队列
|
转进程调度或返回 [如果该进程的优先级特别高]
}
注意 {
BLOCK和WAKEUP是一队作用相反的原语。
如果在某进程中调用了阻塞原语，则必须在与之相合作的另一进程中或其他相关的进程中，安排唤醒原语，以能唤醒阻塞进程；否则，被阻塞进程将会因不能被唤醒而长久地处于阻塞状态，从而再无机会继续运行。
}
OS-7
进程的挂起 {进程3种基本状态 ： 就绪，执行，阻塞}
暂时从内存中调出去 - 解决系统种比较繁忙的状态
1), 挂起原语 ： SUSPEND()
2), 挂起原语的执行过程
检查被挂起进程的状态 {
活动就绪 -> 静止就绪  <-激活-
活动阻塞 -> 静止阻塞  <-激活-
执行     -> 静止就绪
}
执行 -I/O请求-> 活动阻塞  【明白】
进程的两种制约关系 {
*1 间接制约 进程间由于共享某种资源
进程A <-> 资源 <-> 进程B
*2 直接制约  进程间由于合作而形成的互相制约
进程A y = x+5 <-> 进程B x = 0+3
互斥 间接制约 并发执行的进程由于竞争同一资源...
同步 直接制约 进程间共同完成一项任务... {
同步进程间具有合作关系，在执行时间上必须协调进程
}
每个进程的printf()都是使用临界区[厕所]，一个printf,一个printf执行！
进入区 -> 临界区 -> 退出区 -> 剩余区
同步机制遵循的原则 {
(1), 空闲让进
(2), 忙则等待
(3), 有限等待
(4), 让权等待 [让出CPU]
}
使用信号量来协调进程间的协调关系！
信号量 {
*1, 信号量是一种数据结构
*2, 信号量的值与相应资源的使用情况
*3, 信号量的值由P, V操作改变。
}
S-11
进程通信
进程通信是指进程之间的信息交换
交换的信息量  一个状态或数值
上千个字节
进程通信分类 {
1), 低级通信：进程的互斥和同步
2), 高级通信： 指用户可直接利用os提供的一组通信命令，高效地传送大量数据的一种通信方式。对用户透明(用户不用管)。
}
高级通信分类 {
共享存储器系统 *2*
消息传递系统   ***
管道通信       ***
}
共享存储器系统, {
(1)共享数据结构的通信方式  进程之间通过某种数据结构，如缓冲池进行通信属于低级通信方式；
(2)共享存储区通信方式  为了传送大量信息，在存储器中划出一块共享存储区，进程可通过对共享存储区进行读或写来实现通信，属于高级通信方式。
}
消息传递系统 {
信息交换的单位是消息或报文，分成两种：
1．直接通信方式
2．间接通信方式
计算机网络中将消息称为报文。
}
*1* {
直接通信方式 {
发送进程直接把消息发送给目标进程
发送进程和接收进程都以显式方式分别提供对方的标识符。
系统提供两条通信原语
Send(Receiver,message);
Receive(Send,message);
例如: Send(P2,m1);
Receive(P1,m1);
}
解决生产者一消费者问题 {
repeat        …
produce an item in nextp;
…
Send(consumer,nextp);
until  false;
repeat
Receive(producer, nextp);
…
Consumer the item in nextc;
until  false;
}
*2* 间接通信方式 {
进程之间的通信需要通过某种中间实体，该实体用来暂存发送进程发送给目标进程的消息；
接收进程则从该实体中取出对方发送给自己的消息。
这种中间实体称为信箱。
消息在信箱中可以安全地保存．只允许核准的目标用户随时读取，故可实现非实时通信。
}
信箱的创建和撤消 {
进程用信箱创建原语来建立一个新信箱。创建者进程应给出信箱名字、信箱属性(公用、私用或共享)；
对于共享信箱，还应给出共享者的名字。
用信箱撤消原语来撤消
}
消息的发送与接收 {
Send(mailbox,message)：将一个消息发送到指定信箱；
Receive (mailbox,message) 从指定信箱中接收一个消息
}
信箱分类 {
私用信箱。 {
用户进程建立，作为该进程的一部分。
拥有者有权读消息．其他用户只能发送。
采用单向通信链路。
进程结束时信箱也消失。
}
公用信箱。{
它由OS创建．
提供给系统中的所有核准进程使用。
进程既发送也可取出。
采用双向通信链路的信箱来实现。
系统运行期间始终存在。
}
共享信箱。{
由某进程创建，创建时提供共享进程(用户)的名字。
信箱的拥有者和共享者，都有权从信箱中取走发送给自己的消息。
}
}
信箱通信时发送进程和接收进程的关系：
一对一关系。建立一条专用的通信链路。
多对一关系。服务进程与多个用户进程之间进行交互，又称客户／服务器交互。
一对多关系。一个发送进程与多个接进程进行交互，使发送进程可用广播形式，向接收者发送消息。
多对多关系。建立一个公用信箱，多个进程投递并取走自己的消息。
*管道通信** {
管道通信方式建立在文件系统的基础上，利用共享文件来连接两个相互通信的进程，此共享文件称为管道(Pipe)。
管道是指用于连接一个读进程和一个写进程，以实现它们之间通信的共享文件
}
管道通信必需的协调能力 {
(1)互斥  当一个进程正在对管道进行读／写操作时，另一进程必须等待。
(2)同步  当写(输入)进程把一定量的数据(如4K)写入管道后，便去睡眠等待，直到读(输出)进程取走数据后再把它唤醒。当读进程发现管道空时也应睡眠等待，直至写进程将消息写入管道后，才将它唤醒．
(3)判别对方是否存在．只有确定了对方存在时方能进行通信。
}
OS-12
线程 (多CPU和网络的OS上主要提出的)
进程:使多个程序能并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量
引入线程，是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性
引入线程目的 {
进程是可拥有资源的独立单位和可独立调度和分派的基本单位。
创建、撤消和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销。故进程，其数目不宜过多，进程切换的频率也不宜过高。
进程不应同时作为拥有资源的单位和可独立调度和分派的基本单位，应该“轻装上阵”；
}
线程的属性 {
（1）轻型实体。线程中的实体基本上不拥有系统资源
（2）独立调度和分派的基本单位。    线程的切换非常迅速、开销小。
（3）可并发执行。
（4）共享进程资源。
}