操作系统之进程

huajia
458 阅读9分钟

preface

操作系统的四个特征：并发、共享、虚拟、异步。

目录结构

  • 什么是进程
  • 进程的组成
  • 进程的生命周期
  • 进程的组织方式
  • 进程的同步以及通信方式
  • 如何实现进程控制

一、什么是进程

进程是程序的一次执行过程，也可以是进程实体的一次执行过程。是操作系统分配资源的最小单位，程序是静态的，而进程是动态的。

进程的特征

  1. 结构特征 为使进程能独立运行，需要创建PCB(进程控制块)，当然还需要操作系统分配了系统走远才能运行；由PCB、数据段、程序段构成了进程实体。一般说的创建进程，指的是创建进程实体中的PCB，撤销进程指的是撤销进程中的PCB。

  2. 动态性 进程的实质是进程实体或者说是程序的一次执行过程。由创建产生，调度执行，撤销而消亡，有生命周期。反观程序，只是一系列的静态指令集合。

  3. 并发性 在同一时刻，多个进程实体可能存在于内存，并且能并发运行。

  4. 独立性 进程是由操作系统独立分配资源的，可以单独运行。在早期，进程是操作系统调度的最小单位，现代操作系统，线程是操作系统调度最小单位。

二、进程的组成

1. PCB image.png 1.1 进程标识符 用于唯一的表示一个进程，分为内部和外部。内部用于系统中调用，外部用于用户程序访问该进程时使用。

1.2 处理机状态(现场信息) 处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。处理机在运行时，许多信息都放在寄存器中。当处理机被中断时，所有这些信息都必须保存在 PCB 中，以便在该进程重新执行时，能从断点继续执行。这些寄存器包括：

  • 通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有 8～32 个通用寄存器，在 RISC 结构的计算机中可超过 100 个；
  • 指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址；
  • 程序状态字 PSW，其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等；
  • 用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址，栈指针指向该栈的栈顶。

1.3 进程调度信息

  • 进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据；
  • 进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；
  • 进程调度所需的其它信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如，进程已等待 CPU 的时间总和、进程已执行的时间总和等；
  • 事件，指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。

1.4 进程控制信息

  • 程序和数据的地址，指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从 PCB 中找到其程序和数据；
  • 进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在 PCB 中；
  • 资源清单，即一张列出了除 CPU 以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；
  • 链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的 PCB 的首地址。

2. 数据段

3. 程序段

三、进程的生命周期

进程状态

总状态：创建、就绪、运行、阻塞、挂起(调用suspend原语，放到外存)、终止。

  1. 创建 为一个新进程创建 PCB，并填写必要的管理信息；其次，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。

  2. 静止就绪 由于刚创建时候的进程，不能获取到主内存资源，或者调用了suspend挂起原语，不会被cpu调度，切换到外存。进程状态为readys。

  3. 活动就绪 当系统的主内存能满足进程分配，或者直接调用了原语active，会从创建态->动态就绪，或者从静态就绪->动态就绪，但是此时还没有获得cpu资源。进程状态为readya。

  4. 运行 进程获取到cpu资源。

  5. 静态阻塞 当进程处于未被挂起的阻塞状态时，称它是处于活动阻塞状 态，表示为 Blockeda。当用 Suspend 原语将它挂 起后，进程便转变为静止阻塞状态，表示为Blockeds。处于该状态的进程在其所期待的事件 出现后，将从静止阻塞变为静止就绪。

  6. 活动阻塞 运行中的进程调用io操作，或者静态阻塞的进程调用active原语。

  7. 终止 进程的终止也要通过两个步骤：首先等待操作系统进行善后处理，然后将其 PCB 清零， 并将 PCB 空间返还系统。 image.png

四、进程的组织方式

一个系统中可能由成百上千个进程，需要有效的方式进行管理，然后由才做系统进行调度。

链接方式

根据PCB的状态，分成不同的队列，如就绪队列、阻塞队列、空闲队列，其中阻塞队列还可以根据不同阻塞原因分成不同阻塞队列(等待io、等待资源等)。就绪队列中，会按照优先级在队列中排好。

索引方式

根据不同进程状态，设置不同的索引表，并记录不同状态指针对应的索引表首地址，索引表的表目存储的是pcb在pcb表中对应的地址。

image.png

五、进程的通信以及同步方式

同步方式

信号量

1. 整型信号量

针对各进程共享一个临界资源的场景，相当于Java的semaphore，如果要获取的资源<0,则进程会进行忙等。

2. 记录型信号量

针对各进程共享一个临界资源的场景，相当于synchonized，如果要获取的资源<0, 会阻塞线程，不会进行忙等，等待在一个阻塞队列上。资源只能-1或者+1。

3. AND型信号量 AND 同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源也不分配给它。亦即，对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么把它所请求的资源全部分配到进程，要么一个也不分配。由死锁理论可知，这样就可避免上述死锁情况的发生。为此，在 wait 操作中，增加了一个“AND”条件，故称为AND 同步，或称为同时 wait 操作。

管程

用于简化同步操作，信号量需要成对的执行wait和signal方法。一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

管程的特点

  • 模块化。管程是一个基本程序单位，可以单独编译。
  • 抽象数据类型。管程中不仅有数据，而且有对数据的操作。
  • 信息掩蔽。管程中的数据结构只能被管程中的过程访问，这些过程也是在管程内部定义的，供管程外的进程调用，而管程中的数据结构以及过程(函数)的具体实现外部不可见。管程和进程不同，主要体现在以下几个方面： 虽然二者都定义了数据结构，但进程定义的是私有数据结构 PCB，管程定义的是公共数据结构，如消息队列等； 二者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序程序执行有关的操作，而管程主要是进行同步操作和初始化操作； 设置进程的目的在于实现系统的并发性，而管程的设置则是解决共享资源的互斥使用问题； 进程通过调用管程中的过程对共享数据结构实行操作，该过程就如通常的子程序一样被调用，因而管程为被动工作方式，进程则为主动工作方式； 进程之间能并发执行，而管程则不能与其调用者并发； 进程具有动态性，由“创建”而诞生，由“撤销”而消亡，而管程则是操作系统中 的一个资源管理模块，供进程调用。

管程的同步使用wait/signal以及条件变量。

进程通信方式

管道

管道是半双工通信方式，如果需要全双工，需要两个管道。管道分为匿名管道和命名管道

1. 匿名管道

 #include <unistd.h>
       int pipe(int pipefd[2]);

调用pipe函数，会在内核中开辟出一块缓冲区用来进行进程间通信，这块缓冲区称为管道，它有一个读端和一个写端。pipe函数接受一个参数，是包含两个整数的数组，如果调用成功，会通过pipefd[2]传出给用户程序两个文件描述符，需要注意pipefd [0]指向管道的读端, pipefd [1]指向管道的写端，那么此时这个管道对于用户程序就是一个文件，可以通过read(pipefd [0])；或者write(pipefd [1])进行操作。pipe函数调用成功返回0，否则返回-1。

通信步骤：

（1）父进程创建管道，得到文件描述符指向管道的两端。

image.png （2）fork出子进程，得到父进程获取到的文件描述符，指向同一个管道的两端。 （3）父进程关闭读端，子进程关闭写端。父进程向写段写数据，子进程向读端读数据。

特点：

  • 单向通信，写->读
  • 只能有血缘关系的进程进行通信

父进程把文件描述符传给子进程之后父子进程之间通信,也可以父进程fork两次,把文件描述符传给两个子进程,然后两个子进程之间通信, 总之需要通过fork传递文件描述符使两个进程都能访问同一管道,它们才能通信。

2. 命名管道FIFO

命名管道没有血缘关系进程的限制。FIFO不同于管道之处在于它提供一个路径名与之关联，以FIFO的文件形式存储于文件系统中。命名管道是一个设备文件，因此，即使进程与创建FIFO的进程不存在亲缘关系，只要可以访问该路径，就能够通过FIFO相互通信。值得注意的是， FIFO(first input first output)总是按照先进先出的原则工作，第一个被写入的数据将首先从管道中读出。

共享内存

共享内存是进程通信最快的方式，给多个进程开辟一个共同的内存。

（1）基于共享数据结构

（2）基于共享内存

消息队列

消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

信号

信号是事件发生时对进程的通知机制，有时也称为软件中断。

以下事件可引发内核为进程产生信号：

（1）硬件异常。

硬件检测到一个错误条件并通知内核，随机再由内核发送相应信号给相关进程。硬件异常的例子包括执行一条异常的机器语言指令。例如：被0除， 或者引用了无法访问的内存区域。

（2）用户键入了能够产生信号的终端特殊字符。其中包括中断字符（Ctrl+C）、暂停字符（Ctrl+Z）。

（3）发生了软件事件。例如，针对文件描述符的输出变为有效，调整了终端窗口大小，定时器到期，进程执行的CPU时间超限，或者该进程的某个子进程退出。

信号量

信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

socket

可以用于不同机器间的进程通信。

六、如何实现进程控制

进程控制主要通过操作系统原语，原语由一系列指令组合而成，是原子性执行的。

原语特征：

  • 运行在核心态
  • 执行期间不允许中断
  • 运行时间较短，调用频繁

总结

进程是程序的一次执行，是动态的，他是系统分配资源的最小单位。

avatar
文章
阅读
粉丝