进程的描述与控制 操作系统第二章知识点归纳总结

系列文章

第一章 操作系统概述
第二章 进程调度

第二章 进程的描述与控制

2.1 什么是进程

程序代码+相关数据+程序控制块PCB

当处理器开始执行一个程序的代码时，称这个执行的实体为进程

2.1.1 进程和进程控制块PCB

PCB(Process Control Block)

• PCB是进程中断的基础，恢复执行后好像从未中断一样
• PCB由OS创建和管理
• 支持多进程的工具

PCB是用于进程管理的数据结构

PCB元素	作用
id	标识符
state	状态
PC	程序计数器
memory pointer	内存指针
context	上下文
I/O status	I/O状态
……	……

2.1.2 进程VS程序

程序是剧本，进程是演出

进程基本特征：

• 动态性（本质特征）：进程存在生命周期
• 并发性（重要特征）：可同其他进程一同推进
• 独立性：各进程地址空间相互独立（逻辑地址）
• 异步性：进程按不可预知速度推进

与程序相比：

1. 进程是正在计算机执行的实例
2. 进程=PCB+程序代码+数据
3. 程序是静态的，没有生命周期
4. 进程与程序并无一一对应关系，如一个dad（）程序中涉及多个PV进程
5. 引入进程的概念是为了容易正确解释多道程序并发

2.2 进程状态

进程轨迹

进程的待执行指令序列，描述单个指令的行为（指南）

分派器Dispatcher

将cpu从一个进程切换到另一进程

2.2.1 两状态模型

2.2.2进程创建与终止

进程创建

OS创建用于管理进程的PCB
OS为进程分配内存

创建原因

• 新作业<-旧的已完成
• 用户登录<-字面意思
• 用户请求服务<-比如请求打印
• 进程派生<-如fork()

相关

进程派生：进程显式请求创建一个进程（子进程）
父进程：原来的进程
子进程：派生的新进程

终止原因

• 作业完成
• timeout
• 无可用内存
• 无权限访问
• 超出可用内存范围
• 访问受保护的文件
• 不可运算
• 超时（等不及）
• I/O失效 如读写失败
• ……
• 父进程终止 父死子亡

五状态模型

排队模型

1. 单阻塞队列：所有阻塞队列在同一队列，事件后满足需遍历整个队列
2. 多阻塞队列：不同阻塞条件对应不同队列
   同样的，可以根据不同优先级维护多个就绪队列

2.2.4 被挂起的进程

是为了解决内存有限的问题，把暂时阻塞的进程部分或全部换出到外存的挂起队列中

挂起后

• OS调度新进程
• 从挂起队列取新进程

挂起

内存中处于阻塞、就绪甚至执行的进程释放到外存，不再参与cpu竞争

七状态模型

挂起的进程

不能立刻运行、在外存中、不会自行换入、可能在等待或不等待条件

挂起原因

• 交换（腾出空间）
• 用户请求
• 父进程请求
• OS请求
• 定时：定时执行，在等待时挂起

2.3 进程描述

2.3.1 OS控制结构

OS用表格来维护管理资源

• 内存表：用于跟踪内存、外存

• 分配给进程的内存和外存

• 内存外存受保护信息

• 管理外存信息

• I/O表

• I/O状态（可用/已分配给XX进程）

• I/O数据源和目的内存

• 文件表

• 文件是否存在

• 文件在外存位置

• 当前状态

• 其他属性

• 进程表特征

• 用于管理进程

• 有对内存、I/O\文件的间接引用

• 本身可被OS访问（废话-_-）

2.3.2进程控制结构

进程映像：程序、数据、栈（保存调用地址）和PCB的集合

PCB中的信息

• 进程标识信息：存储在进程中的数字标识符

  • 进程id
  • 父进程id
  • 用户id

• 处理器状态信息：cpu寄存器内容

  • 用户可见寄存器
  • 控制和状态寄存器（PC、PSW、中断允许/禁用标志、执行模式）
  • 栈指针（指向该进程的栈顶）

• 进程控制信息：操作系统调度进程所需其他信息

  • 进程状态state：“running”……
  • 进程优先级priority
  • 事件标识：进程等待事件
  • 调度相关信息：不同调度算法可能需要空间存放数据
  • 数据结构：用于支持队列、环、指针
  • 进程通信：关联无关进程之间的通信
  • 进程特权
  • 存储管理：指向虚存段表或页表的指针
  • 资源所有权及使用情况

2.4 进程控制

2.4.1 执行模式

内核模式功能

• 进程管理
• PCB
• create、delete、schedule
• shift
• 同步
• 存储管理
• 分配
• 交换
• 分页分段
• I/O设备管理
• I/O缓冲区
• 分配I/O

内核的支撑功能

• 中断处理
• 时钟中断
• 记账

OS支持的两种模式及其特点

用户模式

• 优先权少
• 用户程序执行

系统模式/内核模式

• 优先权多
• 运行在内核
• 特权指令
• 特权内存空间访问

注：当前模式由PSW中的特殊位标识，两种模式也是为了保护OS数据结构不被篡改

2.4.2进程创建

OS行为：
分配id–>分配空间–>init pcb（id、栈、state、priority……）–>插入就绪/挂起队列–>初始化其他数据结构

2.4.3进程切换

中断

• 普通中断
• timeout：进程时间片耗尽
• I/O中断：I/O就绪，OS决定该唤醒哪个进程
• 内存失效（缺页）：阻塞当前进程
• 陷阱（自陷）
• 进程错误或异常

进程切换原因

• 普通中断：对外部事件的反应
• 陷阱：处理异常
• 系统调用：调用内核程序

中断过程

save context(P1)–>renew pcb(P1)–>move pcb(P1) in queue–>change process(P1->P2)–>renew pcb(P2)–>renew storage、data structure–>reload context(P1)

注意：中断不一定导致进程切换

• 一个例子：I/O中断后，系统决定仍由先前进程继续执行（比如因为该进程priority更高）

模式切换

用户模式<==>内核模式

原因

• 系统调用：调用内核服务
• 中断：调用中断处理程序

模式切换与进程切换

模式切换不一定导致进程切换，要进程切换一定要模式切换

2.4.4 OS的执行

1. 无进程的内核：内核独立于进程（separate kernel）
2. 用户进程内的操作系统：进程与内核函数同时执行（OS function execute with process）
3. 基于进程的操作系统：内核函数与进程同级执行（OS function execute with separate process）
   

2.5 UNIX SVR4进程管理

fork()用于创建进程:pid=fork();

注意三点：

1. fork()创建子进程之后，父子进程均各自继续运行
2. 子进程的fork()返回pid=0，父进程的fork()返回所创建的子进程id
3. 父子进程的推进顺序不可估计

举三个例子帮助理解：

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例1：下面代码共输出几个hello world？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int i;
    for (i=0;i<3;i++)
        fork();
    printf("hello, world\n");
    return 0;
} 

一次fork()理解为：旧进程不变，继续运行，产生了一个新进程
3次fork(),会有2^3个进程，所以会打印8个hello world

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例2：下面代码的输出是什么？

void main(void) {
int i;
static char buffer[10];
if (fork()==0)     
   strcpy(buffer, “Child\n”);
else
   strcpy(buffer, “Parent\n”);
 
for (i=0; i < 5; ++i) {
  sleep(1);
  write(1, buffer, sizeof(buffer));
}
} 

5个Child，5个Parent，但顺序不一定

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例3：下面代码的输出是什么？

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int global = 4;
void main(void) {
int  pid; 
int vari = 5;
printf(“before fork\n”);
if ((pid = fork()) < 0) {
      printf(“fork error\n”);
      exit(0);
  } else if (pid == 0) {
	  global++;
	  vari--;
    }
 printf(“global=%d,vari=%d\n”, global, vari);
}

父进程：global=4，vari=5
子进程：global=5，vari=4

2.6 线程

进程分为两个组成部分

• 调度的基本单位
• 资源的独立单元

线程作为基本调度单位独立出来，由OS调度

多线程

单个进程内支持多个并发路径的能力

单线程

一个进程只有一个线程

线程是进程中的一个实体，是独立调度和分派的单元

2.6.1 进程vs线程

一个进程可以有一个或多个线程
挂起或终止一个进程=挂起或终止其内部所有线程

线程

• 执行状态state:派生、阻塞、解除阻塞、结束
• 上下文context
• 栈
• 局部变量
• 共享的资源和内存
  

多线程比单线程多一个tcb（线程的“pcb”）

线程优点

1. 创建耗时短
2. 终止耗时短
3. 切换耗时短（同进程内）
4. 提高了不同执行程序间的通信效率

线程同步

• 一个进程中的所有线程共享该进程数据和空间
• 一个线程对数据修改会影响其他线程

2.6.2线程分类

用户级线程 ULT（User-Level Thread）

• 线程内核不可见，由应用程序管理
• 进程阻塞，线程不一定阻塞；进程运行，线程也可能阻塞
• 优点
• 线程切换不需要切换内核模式
• 调度策略可以应用程序定制
• 可运行在任何种类的OS上
• 缺点
• 线程系统调用时会阻塞该进程所有线程
• 不适用于多核系统
• 缺点的改进办法
• jacketing技术：由应用级调用替代系统调用
  

内核级线程 KLT（Kernel level Thread）

• 内核管理线程，应用程序不管理线程
• 优点
• 可以将多个线程分配到多个cpu上
• 一个线程阻塞时，同进程其他线程不会阻塞
• 内核本身也可以使用多线程
• 缺点
• 线程切换要进行模式切换

混合方法（ULT+KLT）

• 线程在用户级创建
• 线程调度、同步由应用程序完成
• 用户线程一个或多个映射到内核线程上（内核线程要更少）