ProcessManagement

并发

• 程序并发执行的特征

  • 间断性

  • 失去封闭性

    • 一个程序在运行时，其环境会受到其他程序的影响

  • 不可再现性

进程

定义

• 进程是程序的一次执行

• 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动

• 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程控制块

为了使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立地运行，在操作系统中必须为之配置一个专门的数据结构，称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。

系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。

进程实体

进程实体（又称进程映像）构成：

• 程序段

• 相关数据段

• PCB

所谓创建/撤销进程，实质上是创建/撤销进程实体中的PCB。

特征

• 动态性

  • 进程的实质是进程实体的执行过程

  • 体现

    • 由创建而产生

    • 由调度而执行

    • 由撤销而消亡

• 并发性

• 独立性

  • 进程实体是一个独立的单位参与运行和独立接受调度的基本单位

• 异步性

  • 进程按各自独立的、不可预测的速度向前推进

状态及转换

状态

• 就绪（Ready）状态

  • 进程准备好运行的状态，即已分配到处CPU以外的所有必要资源

• 执行状态

• 阻塞状态

  • 正在执行的进程由于发生某事件（I/O请求、申请缓冲区失败等）暂时无法继续执行时的状态

  • 即进程执行收到阻塞

  • 会引起进程调度

• 创建状态

  • 进程创建步骤

    • 由进程申请空白PCB

    • 向PCB中填写用于控制和管理进程的信息

    • 为该进程分配运行时所必须的资源

    • 把该进程转入就绪状态并插入就绪队列中

  • 如果在创建过程中不能满足所需的资源，则创建工作无法完成，此时的状态称为创建状态

• 终止状态

  • 进程终止的步骤

    • 等待操作系统进行善后处理

    • 将其PCB清零，并将PCB空间返还系统

  • 当一个进程到达了自然结束点或出现了无法克服的错误，或被操作系统终结，或被其他进程所终结，将进入终止状态

挂起操作

挂起状态是指进程处于静止状态，不接受调度。引入挂起操作的原因：

• 终端用户的需要

• 父进程的需要

• 负荷调度的需要

• 操作系统的需要

引入挂起原语（Suspend）和激活原语（Active）后，进程状态的转换：

• 活动就绪 -> 静止就绪

• 活动阻塞 -> 静止阻塞

• 静止就绪 -> 活动就绪

• 静止阻塞 -> 活动阻塞

进程控制块

进程控制块（Process Control Block，PCB），作为进程实体的一部分，记录了操作系统所需要的，用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息。

作用

• 作为独立运行基本单位的标志

  • PCB已成为进程存在于系统中的唯一标志

• 能实现间断性运行方式

  • 系统可将CPU现场信息保存在被中断进程的PCB中

• 提供进程管理所需要的信息

  • 根据PCB中记录的程序和数据在内存或外存中的始址指针，找到相应的程序和数据

  • 当需要访问文件系统中的文件或I/O设备时，也都需要借助于PCB中的信息

  • 进程所需要的资源

• 提供进程调度所需要的信息

  • 进程状态信息

  • 进程的优先级

PCB中的信息

• 进程标识符

  • 外部标识符

    • 为了方便用户（进程）对进程的访问

    • 通常由字母、数字组成

  • 内部标识符

    • 为了方便系统对进程的使用

      • 通常是一个进程的序号

• 处理机状态

  • 处理机状态信息也称为处理机的上下文，主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成，包括：

    • 通用寄存器

      • 用户可视寄存器，用户程序可访问的，用于暂存信息

    • 指令计数器

      • 存放了要访问的下一条指令的地址

    • 程序状态字PSW

      • 包含状态信息：

        • 条件码

        • 执行方式

        • 终端屏蔽标志

    • 用户栈指针

      • 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

  • 当处理机处于执行状态时，正在处理的许多信息都是放在寄存器中

  • 当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便重新执行

• 进程调度信息

  • 进程状态，指明进程的当前状态

  • 进程优先级

  • 进程调度所需要的信息

    • 与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

PCB组织方式

• 线性

• 链式

• 索引

进程创建

原因

• 用户登录

• 作业调度

• 提供服务

• 应用请求

创建过程

• 申请空白PCB，为新进程申请获得唯一的数字标识符

• 为新进程分配其所需要的资源，包括物理和逻辑资源

• 初始化进程控制块

  • 初始化标识信息

  • 初始化处理机状态信息

  • 初始化处理机控制信息

• 将新进程插入就绪队列

进程终止

原因

• 正常结束

• 异常结束

  • 越界错

  • 保护错

  • 非法指令

  • 特权指令错

  • 运行超时

  • 等待超时

  • 算术运算错

  • I/O故障

• 外界干预

  • 操作员或操作系统干预

  • 父进程请求

  • 父进程终止

终止过程

• 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态

• 若倍终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度

• 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程也都予以终止

• 将被终止进程所拥有的全部资源或者归还给父进程，或者归还给系统

• 将被终止进程（PCB）从所在队列中移出，等待其他程序来搜集信息

阻塞与唤醒

• 引起阻塞的事件

  • 向系统请求共享资源失败

  • 等待某种操作的完成

  • 新数据尚未到达

  • 等待新任务的到达

• 进程阻塞过程

  • 进程通过调用阻塞原语block将自己阻塞

  • 立即停止执行，把PCB中的现行状态有执行改为阻塞

  • 将PCB插入阻塞队列

• 唤醒过程

  • 当被阻塞进程期待事件发生时，有关事件调用唤醒原语wakeup

  • 将等待该事件的进程唤醒

  • wakeup执行过程

    • 首先把被阻塞进程从等待该事件的阻塞队列中移出

    • 将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪

    • 将该PCB插入就绪队列

进程的挂起与激活

• 挂起

  • 当系统中出现了引起进程挂起的事件时，OS将利用挂起原语suspend将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起

  • suspend执行过程

    • 首先检查进程的状态，若处于就绪状态，便将其改为静止状态

    • 对于活动阻塞状态的进程，则将之改为进制阻塞

    • 若被挂起的程序正在执行，则转向调度程序重新调度

• 进程的激活

  • 当系统中发生激活进程的事件时，OS利用激活原语active，将指定进程激活

  • 激活原语先将进程从外存调入内存

  • 检查进程的现行状态

    • 若是静止就绪，便将其改为活动就绪

    • 若为静止阻塞，则将之改为活动阻塞

进程同步

进程同步机制的主要任务，是对多个相关进程在执行次序上进行协调，使并发执行的诸进程之间能按照一定的规则（或时序）共享系统资源，并能很好地相互合作。从而使程序的执行更具可再现性。

进程通信

• 共享存储器系统

• 管道

• 消息传递系统

  • 直接通信方式

    • OS提供的发送原语

  • 间接通信

    • 共享中间实体

• 客户机-服务器系统

  • 套接字

  • RPC

线程

解决程序并发执行的问题。

和进程对比

• 调度的基本单位

  • 能独立运行的基本单位

  • 切换线程，只需要保存和设置少量寄存器内容

• 并发性

• 拥有资源

• 独立性

• 系统开销

• 支持多处理机系统