第二章 进程管理

进程的描述

进程 是操作系统中 最核心 的概念。

程序的顺序执行与程序的并发执行

程序的顺序执行

先进入内存的程序先执行，在一个程序执行完毕之前，不能执行其他程序。

顺序执行的 特点：

1. 顺序性：前一操作结束后，才能执行后续操作；
2. 封闭性：运行时独占全机资源，各资源的状态只有本程序才能改变；
3. 可再现性：程序多次执行，执行结果相同；

顺序执行的 问题：输入/输出设备、CPU 不能同时忙碌。

程序的并发执行

指在 同一时间间隔内 运行多个程序。一个程序执行结束前，可以运行其他程序。

并发执行的 特点：

1. 间断性：程序在CPU上执行时，是时续时断的；
2. 失去封闭性：系统的状态不再只对正在执行的程序可见；
3. 不可再现性：同一个程序在输入相同的情况下多次运行，可能出现不同的结果；

进程的概念

进程的定义

允许 并发执行的程序 在某个 数据集合 上的 运行过程。

进程的 结构：

1. 用户正文段：存放被执行的机器指令；
2. 用户数据段：存放进程在执行时直接进行操作的用户数据；
3. 进程控制块（PCB）：存放程序的 运行环境，进程实体的标志；

进程的特征

1. 并发性：多个进程实体能 在一段时间间隔内同时运行，进程和现代系统的重要特征；
2. 动态性：进程是实体的 执行过程；
3. 独立性：独立运行和资源调度的 基本单位；（没有线程的情况下）
4. 异步性：进程的执行时续时断，何时执行、何时暂停（随时可以被终止）都 无法预知；
5. 结构特征：用户正文段、用户数据段、进程控制块；

进程和程序的比较

进程和程序的 区别：

进程和程序的 联系：

1. 进程 是 程序 的一次执行；
2. 一个 程序 可以对应多个 进程；（相加的程序，1+1=2、2+2=4）
3. 同一个 进程 能够顺序地执行几个 程序；（财务系统包含多个模块 - 计算模块、存储模块）

进程控制块

进程控制块是 进程实体的一部分，是操作系统中 最重要的数据结构。

进程控制块中记录了 操作系统 所需要的、用于 描述进程及控制进程运行 所需的全部信息。包括：

1. 进程标识符信息：用于唯一标识一个进程；
2. 处理机状态信息：
   • 通用寄存器；
   • 指令计数器；
   • 程序状态字PSW；
   • 用户栈指针；
3. 进程调度信息：
   • 进程状态信息；
   • 进程优先级；
   • 进程调用所需的其他信息；
4. 进程控制信息：
   • 程序和数据的地址；
   • 进程同步；
   • 通信机制；
   • 资源清单；
   • 链接指针；

进程的状态

1. 就绪态；
2. 执行态；
3. 阻塞态：又叫等待态和封锁态；

进程的状态切换.png

进程的组织

1. 链接方式：把具有相同状态的进程控制块用其中的 链接字 连成一个队列；
2. 索引方式：系统根据所有进程的状态，建立 索引表，索引表的每一个 表项 都指向一个进程控制块；
3. 进程队列：把具有相同状态的进程控制块用 队列 组织起来；

在大部分时刻，都会有一个进程处于 CPU 中，否则可能是全部的进程都处于异常状态（死锁）。

进程的控制

进程的控制指：创建 - 阻塞 - 唤醒 - 终止。

进程的创建

进程创建的 时机：用户登录、作业调度、提供服务、应用请求。

创建进程的 过程：

1. 申请 空白的进程控制块；
2. 为新进程 分配资源；
3. 初始化 进程控制块；
4. 将新进程 插入到就绪队列；

当新进程被创建时，有两种 执行可能：

1. 父进程和子进程 并发执行；
2. 父进程 等待，直到某个或全部子进程执行完毕；

进程的阻塞

进程阻塞的 时机：请求系统服务、启动某种操作、新数据尚未到达、无新工作可做。

阻塞进程的 过程：

1. 将进程的状态 改为阻塞态；
2. 将进程 插入相应的阻塞队列；
3. 转到进程调度程序，从就绪队列中选择进程为其分配CPU；

进程的唤醒

唤醒进程的 过程：

1. 将进程 从阻塞队列中移出；
2. 将进程状态由阻塞状态 改为就绪态；
3. 将进程 插入就绪队列；

进程的终止

终止进程的 时机：进程正常执行完毕。

终止进程的 过程：

1. 从进程控制块中 读取进程状态；
2. 若进程正在执行，则终止进程的执行；
3. 释放资源；
4. 将终止进程的 进程控制块移出；

操作系统内核

操作系统内核是计算机硬件的第一次扩充，内核执行操作系统与硬件关系密切、执行频率高的模块，常驻内存。

操作系统内核的 功能：

1. 支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作；
2. 资源管理功能：进程管理、存储管理、设备管理；

中断

中断是 改变处理器执行指令顺序 的一种事件。

出现中断时，计算机 停止现在程序的进行，转向 对这些中断事件的处理，处理结束后再 返回到现行程序的间断处。

引入中断前，CPU通过 反复轮询 的方式，检测本次 I/O 是否结束。

引入中断机制后，CPU可以与其他设备 并行工作，能有效 提高CPU的利用率、改善系统性能、支持系统的异步操作。

开中断 是响应中断的前提。

中断的 分类：

1. 同步中断（内部中断、异常）；
2. 异步中断（外部中断）：外部可屏蔽中断、外部不可屏蔽中断；

在 Inter 微处理器手册 中，把同步中断和异步中断称为 异常 和 中断。

中断的 原因：

1. 人为设置中断；
2. 程序性事故；
3. 硬件故障；
4. I/O设备；
5. 外部事件；

中断的 处理：

中断的处理.png

时钟管理

时钟是计算机系统的脉搏，计算机的许多活动都是由 定时测量 来驱动的。

系统可以利用 时钟机制 限制一个用户进程在CPU连续执行的时间。

操作系统中的 时钟：

1. RTC实时时钟：CMOS，类似于：秒表、初始时间；
2. OS时钟：由 操作系统 控制，类似于：系统时间；

操作系统的 时钟机制：时钟硬件、时钟驱动程序。

每产生一次时钟中断信号，操作系统都要执行时钟驱动程序。

操作系统内核需要完成的两种定时测量是：维持定时器、保存当前的日期和时间。

OS时钟管理硬件：可编程间隔定时器 PIT。

时钟驱动程序的 功能：

1. 维持 日期和时间；
2. 递减当前 进程 在一个时间片内的剩余执行时间，防止运行超时；
3. 对 CPU 的使用情况记账；
4. 递减 报警计数器；

系统调用

系统调用是一群 预先定义好的模块。

提供 一条管道 让 应用程序 能由此到 核心程序 的服务。

系统调用是 系统程序 与 用户程序 之间的 接口。

用户空间：用户进程 所处的地址空间。

用户态执行：CPU 执行用户空间的代码 时，称该进程处于用户态执行。

系统空间：含有一切 系统核心代码 的地址空间。

系统态执行：CPU 执行系统空间的代码 时，称该进程处于系统态执行。

系统调用和一般函数调用之间的 区别：

1. 系统调用运行在 系统态（管态），一般函数调用运行在 用户态（目态）；
2. 执行过程 不同；（系统调用执行时，当前进程被中断）
3. 系统调用进行 中断处理，多了系统开销；

系统调用的 类型：

1. 进程 控制类；
2. 文件 操纵类；
3. 设备 管理类；
4. 通信 类；
5. 信息 维护类；

进程同步

进程同步的基本概念

进程同步：进程并发执行，共享系统的资源，操作系统对共享过程进行控制和管理。

同步机制：保证在 多任务共享系统资源 的情况下，程序执行能得到正确的结果。

多道程序环境下进程之间的关系：（进程同步的任务）

1. 资源共享关系：保证各进程以 互斥 的方式访问 临界资源；（有两个进程需要使用同个资源（打印机、CPU）时，一个进程的使用需要等待另外一个进程结束使用）
2. 相互合作关系：保证相互合作的各进程 协调 执行；（存在两个进程，一个进程依赖另一个进程的结果集，需要保证进程的执行顺序）

临界资源：必须 以互斥方式访问 的共享资源。

临界区：进程中 访问临界资源 的那段 代码。

同步机制应遵循的准则

1. 空闲让进：没有进程处于临界区，应允许一个请求进入临界区的进程进入；
2. 忙则等待：临界区已有进程，其他试图进入临界区的进程必须等待；
3. 有限等待：对于要访问临界资源的进程，应保证有限时间内进入临界区；
4. 让权等待：申请不到访问权，应释放处理机，以免浪费CPU资源；

同步机制应遵循的准则.png

信号量机制

用 信号量的取值 来表示资源的使用状况，以此为基础实现进程同步。

信号量：某种类型的变量，如：整型、记录型。

根据 信号量类型 的不同，可以分为：

1. 整型信号量机制；
2. 记录型信号量机制；
3. AND型信号量机制：所有资源 一次性地全部 分配给进程；

整型信号量机制

整型信号量是 表示共享资源状态 且只能由特殊的 原子操作 改变的 整型量。

原子操作：wait、signal。

原理：定义一个用于 互斥 的整型信号量，用该变量的值来 标记资源的使用情况。

整型信号量 > 0：有资源可用。

整型信号量 <= 0：资源忙，需等待。

对应 原子操作 的实现：

Var s integer;

wait(s)
{
    while s<=0 do no-op; // 整型信号量值 <= 0 时，循环执行空操作；
    s = s - 1;
}

signal(s)
{
    s = s + 1;
}

用整型信号量实现 进程互斥：

为互斥访问的临界资源CS定义一个 互斥信号量mutex，将初始值置为 1。将临界资源CS放入 wait(mutex) 和 signal(mutex) 之间。

wait(mutex);
    CS
signal(mutex);

整型信号量实现进程互斥.png

用整型信号量实现 进程协调：

存在p1和p2两个进程，为互斥访问的临界资源CS定义一个 互斥信号量s，将初始值置为 0。

parbegin
    begin p1; signal(s); end
    begin wait(s); p2; end
parend

整型信号量实现进程协调.png

记录型信号量机制

原理：定义一个 记录型变量，用该变量的值来 标记资源的使用情况。

// 记录型信号量的数据类型

Type semaphore = record
    value: integer; // 资源数量
    L: list of process; // 阻塞队列
end

s.value >= 0 时，s.value 的值表示 资源数量。

s.value < 0 时，s.value 的 绝对值 表示等待队列中 阻塞进程的数量。

对应 原子操作 的实现：

Var s semaphore;

wait(s)
{
    s.value = s.value - 1;
    if s.value < 0 then block(s.L)
}

signal(s)
{
    s.value = s.value + 1;
    if s.value <= 0 then wakeup(s.L)
}

用记录型信号量实现 进程互斥：

记录型信号量实现进程互斥.png

用记录型信号量实现 进程协调：

记录型信号量实现进程协调.png

进程通信

1. 共享存储器系统：相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区；
   • 共享数据结构：生产者-消费者问题中，使用界缓冲区；
   • 共享存储区；
2. 消息传递系统：进程间通过操作系统提供的一组通信程序传递消息；
   • 直接通信方式：利用发送程序直接发送消息；
   • 间接通信方式：需要通过 数据结构 来实现，例如：邮箱；
3. 管道通信：进程间通过管道（链接读写进程的特殊文件）进行信息通道；
   • 管道文件存在于 外存 中；
4. 消息缓冲队列：
   • 广泛用于 本地进程 之间的通信；
   • 利用 数据结构、发送原语和接收原语 实现信息通信；
   • 消息缓冲区：进程标识符、消息长度、消息正文、指向下一个消息缓冲区的指针；

高级通信机制：共享存储器系统、消息传递系统、管道通信

线程

线程的概念

线程是进程中的一个实体，是被系统 独立调度和分派 的 基本单位。

线程只能拥有在运行中必须的资源，包括 程序计数器、一组寄存器和栈，但它可与同一进程的其他线程 共享进程所拥有的全部资源。

线程间通过直接 读/写全局变量 来进行通信。

线程控制 是线程实现中最基本的功能。

线程的分类

1. 内核级线程：依赖于内核；
2. 用户级线程：不依赖内核；

线程的基本状态

1. 运行态；
2. 就绪态；
3. 阻塞态；

线程的状态.png

线程控制块

每一个线程都由一个 数据结构 表示，包括它的基本状态等，这个数据结构就是 线程控制块TCB。包括：

1. 线程标识符信息；
2. 处理机状态信息；
3. 线程调度信息；
4. 线程控制信息；

线程控制块通常采用 链接 方式来组织。

TCB记录了操作系统需要的、用于 描述线程情况及控制线程运行 所需的全部信息。

线程和进程的区别

1. 线程 是 程序执行 的基本单位，进程 是 拥有资源 的基本单位；
2. 不同进程的地址空间是相互独立的，而 同一进程中的各线程共享同一个地址空间；
3. 进程之间的通信必须使用操作系统提供的进程间通信机制，而 同一进程中的各线程间可以直接通信；
4. 多进程之间可以并发执行，多线程之间也可以并发执行；
5. 线程切换的开销 比进程切换的开销 小；

线程的控制

线程的控制.png