【操作系统】2.1进程管理（进程基本概念）

进程的定义

• 程序：就是一个指令序列
  1. 早期计算机（只支持单道程序），内存的程序段存储着程序的代码，内存的数据段存放着程运行过程处理的数据（如全局变量、局部变量、宏定义常量）。
  2. 引入多道程序后，内存中同时放入多道程序，各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。

  操作系统如何才能找到各个程序的存放位置？

  • 为了方便操作系统管理，完成各个程序并发执行，引入了进程、进程实体的概念。
  • 系统为每个运行的程序配置一个数据结构，称为进程控制块（PCB）==用来描述进程的各种信息（如程序代码存放位置），因此PCB中应该包含操作系统对其进行管理所需要的各种信息。

• 程序段、数据段、PCB三部分组成了 进程实体（进程映像）。一般把进程实体简称为进程，例如，创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程实质上是撤销进程实体中的PCB。
• 从不同角度，进程可以不同定义：（都强调动态性）
  1. 进程是程序的一次执行过程。
  2. 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。
  3. 进程是具有独立功能的程序在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。
• 进程定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
• 注：严格来讲进程实体是静态的，而进程是动态的。

进程的组成

• 进程的组成
  1. PCB（进程的管理者（操作系统）需要的数据都在PCB当中）：
     1. 进程描述信息
     2. 进程控制和管理信息
     3. 资源分配清单
     4. 处理机相关信息
  2. 程序本身运行所需要的数据：
     1. 程序段：存放需要执行的代码
     2. 数据段：存放程序运行过程中处理的各种数据

PCB

• ⭐PCB是进程存在的唯一标志
• PCB的组成：
  1. 进程的描述信息
     1. 进程标识符PID：当进程被创建时，操作系统会为改进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程（类似于身份证号）。
     2. 用户标识符UID
  2. 进程控制和管理信息
     1. 当前进程的状态
     2. 进程优先级
  3. 资源分配清单
     1. 程序段指针
     2. 数据段指针
     3. 键盘
     4. 鼠标
  4. 处理机相关信息：各种寄存器值——当进程切换时，需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB当中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到了哪一句。

进程的组织

一个系统中有大量的PCB，为了能对它们加以有效的管理，应采用适当的方式将这些PCB组织起来
注：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成，而进程的组织是讨论多个进程之间的组织方式问题。

• 进程的组织方式：

  1. 链接方式：

     1. 按照进程状态将PCB划分为多个队列
     2. 操作系统持有指向各个队列的指针
        

  2. 索引方式：

     1. 根据进程状态不同，建立几张索引表
     2. 操作系统持有指向各个索引表的指针
        

进程的特征

• 进程的特征：
  1. 动态性（最基本的特征）：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡那个的
  2. 并发性：内存中有多个进程实体，个进程之间并发执行
  3. 独立性：进程是能够独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位（进程是资源分配、接受调度的基本单位）
  4. 异步性：各个进程按照各自独立的、不可预知的速度向前推进，操纵系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题（异步性会导致并发程序执行结果的不确定性）
  5. 结构性：每个进程都会配置一个PCB。从结构上来看，进程由程序段、数据段和PCB组成

进程的状态

进程是程序的一次执行，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操纵系统将进程划分为几种状态。

• 进程的三种基本状态：
  1. 运行态：占有CPU，并在CPU上运行（单核处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行态，而双核环境下可以有两个）
  2. 就绪态：已经具备运行条件，但由于CPU没有空闲，而暂时不能运行（进程此时已经拥有了除CPU之外的所有需要的资源，一旦获得CPU就可以立即进入运行态开始运行）
  3. 阻塞态（等待态）：因等待某一事件而暂时不能运行（进程请求操纵系统分配打印机、等待读磁盘的操作的结果）

• 进程的另外两种状态：
  1. 创建态：进程正在被创建，操纵系统为进程分配资源、初始化PCB
  2. 终止态：进程正在从系统中撤销，操纵系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

什么情况下进程需要进行转换？

• 不可以从阻塞态直接转化为运行态
• 不可以从就绪态直接转化为阻塞态（因为进入阻塞态是进程的主动请求，必然需要进程在运行时才能发出这种请求）
• ⭐状态：
  1. 运行状态：CPU √ 其他所需资源 √
  2. 就绪状态：CPU × 其他所需资源 √
  3. 阻塞状态：CPU × 其他所需资源 ×

• ⭐状态间的转换：
  1. 就绪态→运行态：进程被调度
  2. 运行态→就绪态：时间片到、或CPU被其他高优先级的进程抢占
  3. 运行态→阻塞态：等待系统资源分配、或等待某事件发生（主动行为）
  4. 阻塞态→就绪态：资源分配到位，等待的事件发生（被动行为）
     

进程控制

• 进程控制就是要实现进程不同状态的转换
  

如果进程的状态改变了，但操纵系统并没有将PCB中的状态标志改为相应的新状态，这是很危险的
为了防止这一现象发生，利用原语来实现

原语

• 用原语实现进程控制。原语的特点时执行期间不允许中断，只能一气呵成。
• 这种不可被中断的操作即原子操作
• 原语采用“关中断指令”与“开中断指令”实现
• 开/关中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令
  

⭐进程控制会导致进程状态的切换。无论哪种原语，要做的无非时三类事情：

1. 更新PCB的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB中恢复运行环境）
   1. 所有进程控制原语一定会修改进程的状态标志
   2. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保护其运行环境
   3. 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境
2. 将PCB插入合适的队列
3. 分配/回收资源

• 进程控制相关的原语：
  • 进程的创建
    • 创建原语操作步骤：（无→创建态→就绪态）
      1. 申请空白PCB
      2. 为新进程分配资源
      3. 初始化PCB
      4. 将PCB插入就绪队列
    • 引起进程创建的事件 ：
      1. 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新进程
      2. 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
      3. 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会建立一个进程处理该请求
      4. 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程
  • 进程的终止
    • 撤销原语操作步骤：（就绪态/阻塞态/运行态→终止态→无）
      1. 从PCB集合中找到要终止进程的PCB
      2. 若该进程正在运行，立即剥夺其CPU使用权，将CPU分配给其他进程
      3. 终止其所有子进程
      4. 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
      5. 删除PCB
    • 引起进程创建的事件 ：
      1. 正常结束
      2. 异常结束
      3. 外界干预
  • 进程的阻塞和唤醒（因何事阻塞，就应由何事唤醒；阻塞原语与唤醒原语必须成对出现）
    • 进程的阻塞
      • 阻塞原语操作步骤：（运行态→阻塞态）
        1. 从PCB集合中找到要阻塞进程的PCB
        2. 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行
        3. 将PCB插入相应事件的等待队列
      • 引起进程创建的事件 ：
        1. 需要等待系统分配某种资源
        2. 需要等待互相合作的其他进程完成工作
    • 进程的唤醒
      • 唤醒原语操作步骤：（阻塞态→就绪态）
        1. 在等待队列中找到对应的PCB
        2. 将该PCB从等待队列中移除，设置进程为就绪态
        3. 将PCB插入就绪队列，等待被调度
      • 引起进程创建的事件 ：
        1. 等待事件的发生
  • 进程的切换（换一个新的进程来运行）
    • 切换原语操作步骤：（让旧进程：从运行态→就绪态/阻塞态，也会让新进程：从就绪态→运行态）
      1. 将运行环境信息存入PCB（一定时运行中的）
      2. PCB移入相应队列
      3. 选择另一个进程执行，并更新其PCB
      4. 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
    • 引起进程创建的事件 ：（可以使进程从运行状态，变为其他状态的事件）
      1. 当前进程时间片到
      2. 有更高优先级的进程到达
      3. 当前进程主动阻塞
      4. 当前进程终止

进程通信

• 进程通信就是指进程间的信息交换

• 进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
• 为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。但进程之间的信息交互又是必须实现的。
  

• 进程通信：

  1. 共享存储：两个进程共享一个共享空间，两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥访问通过操作系统提供的工具实现），操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具（如 P V操作）
     

     分类：

     1. 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能存放一个长度为10的数组，这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
     2. 基于存储区的共享：子内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统，相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式

  2. 管道通信：“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区
     

     • 管道只能采用**半双工通信，某一时间段内只能实现单向传输，如果要实现双向同时通信，则需要==设置两个管道**==
     • 各进程要互斥地访问管道
     • 数据以字符流的方式写入管道，当管道写满时，写进程的write（）系统调用将会被阻塞，等待读进程将数据取走；当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程read（）系统调用将被阻塞
     • 如果没写满，就不允许读；如果没读空，就不允许写（写满才可读，读空才可写）
     • 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，所以，如果数据被错误的进程读走，数据将无法恢复，这是不能容忍的，所以，读进程最多只能有一个，如果有多个就可能发生读错数据的情况

  3. 消息传递：进程间的数据以格式化的消息为单位，进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换
     格式化的消息由消息头和消息体构成

     1. 消息头包括：发送进程的ID、接受进程的ID、消息类型、消息长度等格式化的消息（计算机网络中发送的“报文”其实就是一种格式化的消息）
     2. 消息体
        
        消息传递分类

        1. 直接通信方式：消息直接挂到接受进程的消息缓冲队列上
           

        2. 间接通信方式：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称信箱通信方式，如计算机网络中的电子邮件系统