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第二章 进程的描述与控制

现代OS中进程和线程的概念

进程：是资源分配的和独立运行的基本单位。 线程：是系统调度的基本单位。

前驱图和程序执行

1. 前驱图 有向无循环图（DAG ）。描述一个程序的各部分（程序段或语句）间的依赖关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果（前后） 关系。前趋图中的每个结点可以表示一条语句、一个程序段或一个进程，结点间的有向边表示两个结点之间存在的偏序关系或前趋关系“→ ”。没有前趋的结点称为初始结点，没有后继的结点称为终止结点。此外，每个结点还具有一个权值，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。
2. 程序顺序执行

• 顺序性
• 封闭性
• 可再现性

3. 程序并发执行

• 异步性
• 失去封闭性
• 不可再现性

进程的描述

进程的定义

进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 扩：进程实体：程序段+数据段+PCB

进程的特征

• 动态性
• 并发性
• 独立性
• 异步性

进程和程序的区别

程序是指令的有序集合，是静态的，其存在是无生命周期的，而进程由程序段、数据段、PCB组成，是动态的，有生命周期的。

进程的状态模型

1. 二状态模型 Running Not-Running
2. 三状态模型 Running Ready Block
3. 五状态模型 Running Ready Block New Exit
4. 七状态模型 Running Ready Block Ready，Suspend Block，Suspend New Exit

挂起需要用到Swapping技术；

如何区分阻塞Or挂起？

• 进程是否等待事件，阻塞与否
• 进程是否被换出内存，挂起与否

进程控制块PCB

1. 定义： 是操作系统为了管理和控制进程的运行，而为每一个进程定义的一个数据结构，它记录了系统管理进程所需的全部信息。
2. 位置： 常驻内存，存放在操作系统中专门开辟的PCB区内。
3. 作用： a. 作为独立运行基本单位的标志，进程存在的唯一标志，系统根据PCB而感知相关进程的存在。 b. 能实现间断性运行方式。保护现场 c. 提供进程管理所需要的信息 d. 提供进程调度所需要的信息 e. 实现与其他进程的同步和通信
4. 内容： a. 进程标识符 b. 处理机状态 c. 进程调度信息 d. 进程控制信息

进程控制

操作系统内核的功能

1. 支撑功能

• 中断处理
• 时钟管理
• 原语¹操作

2. 资源管理功能

• 进程管理
• 存储器管理
• 设备管理

进程的层次结构

• 子进程可继承父进程的所有资源
• 子进程撤销时要把资源归还给父进程
• 父进程撤销时也必须撤销所有子进程

引起进程创建的事件

用户登录、作业调度、提供服务、应用请求

进程创建流程

• 为进程分配一个唯一标识号
• 为进程分配空间
• 初始化PCB
• 建立链接
• 建立或扩展其他数据结构

引起进程结束的事件

正常、异常、外界干预

进程的终止过程

• 根据PID找到PCB，读出该进程的状态
• 若该进程为执行状态，则终止其执行，调度新进程执行
• 若该进程有子孙进程，则立即终止其所有子孙进程
• 将该进程的全部资源，或归还其父进程，或归还系统
• 将被终止进程的PCB从所在队列中移出，等待其他程序来搜集信息

进程的阻塞与唤醒

阻塞是主动的，唤醒是被动的

进程的挂起与激活

挂起是由进程自己或其父进程调 Suspend 原语完成。激活是由父进程或用户进程请求激活指定进程，系统利用 Active 原语将指定进程激活。

线程相关

1. 当引入线程后，线程是系统调度的基本单位，进程是资源分配的基本单位，而不再是一个可执行的实体。
2. 进程与线程的存在方式
3. 进程与线程的比较

进程同步

定义

是指对多个相关进程在执行次序上进行协调，他的目的是使系统中诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

机制

硬件机制、信号量机制、管程机制

制约关系

• 直接制约关系（进程同步）
• 间接制约关系（进程互斥）

临界资源

临界资源是一次只允许一个进程使用的资源，需要进程采用互斥方式访问；访问临界资源的那一段代码叫做临界区（CS区）。

同步机制规则

• 空闲让进
• 忙则等待
• 有限等待
• 让权等待

硬件机制

• 关中断
• TS指令
• Swap指令 不符让权等待（造成了忙等）

信号量机制

操作：P、V操作 原语：wait、signal（必须成对存在） 类别：资源信号量、互斥信号量 资源信号量：申请/归还资源，可以初始化为一个正整数（>=0 表示可用资源数 <0表示被阻塞的进程数） 互斥信号量：申请/释放使用权，常初始化为1 注意事项：两个wait操作相邻的话，顺序很重要！同步wait必须在互斥wait前面！wait，signal成对出现，当为互斥操作时，处于同一进程，否则不在同一进程；使用PV不当，会产生死锁；

管程机制

定义：一个数据结构和在该数据结构上能被并发进程所执行的一组操作，这组操作能使进程同步和改变管程中的数据。 管程规定每次只准许一个进程执行，从而实现了进程互斥，保证了管程共享变量的数据完整性。

经典进程同步的同步问题

生产者消费者问题

资源信号量：full=0、empty=n（分别表示满缓冲区的数目、空缓冲区的数目） 互斥资源量：mutex=1 核心算法表示：

哲学家进餐问题

互斥资源量：五个 可能会出现死锁，改进如下：

读者写者问题

1. 读者优先： 共享变量：readcount，当前读者个数，初值为0 互斥信号量：Rmutex=1（读互斥）、Wmutex=1（写互斥）
2. 写者优先 共享变量：readcount，当前读者个数，初值为0 互斥信号量：Rmutex=1（读互斥）、Wmutex=1（写互斥）、S=1（读写互斥）

进程通信

1. 共享存储器系统
2. 消息传递系统

• 直接通信方式：消息缓冲通信
• 间接通信方式：信箱通信方式

3. 管道通信（共享文件通信）
4. 客户机-服务器系统

Footnotes

1. 由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。是一个不可分割的基本单位，执行过程中不许中断。 ↩