操作系统2-进程相关（进程概念与控制）
2.1进程的基本概念
2.1.1 前趋图
前趋图是一个有向无循环图，记为DAG，可用于描述程序/进程之间执行的前后关系。
2.1.2 程序的顺序执行
在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。一道程序执行完后另一道才能开始。
特性：
- 顺序性：一个程序开始执行必须要等到前 一个程序已执行完成。
- 封闭性：程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素影响。
- 可再现性：程序的结果与它的执行速度无关（即与时间无关），只要给定相同的输入，一定会得到相同的结果。
2.1.3 程序的并发执行
若干程序同时在系统中执行，这些程序的执行在时间上是重叠的，一个程序的执行尚未结束，另一个程序的执行已经开始。
特性：
- 间断性
- 失去程序的封闭性
程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的资源，因此这些资源的状态将由多个程序来改变。 - 不可再现性
例：
循环程序A、B，共享变量N。
程序A执行N:=N+1；程序B执行Print(N)，后将N置0。
两个程序以不同速度运行，可能出现三种情况：
N:=N+1在Print(N)和N=0之前，此时N值分为N+1,N+1, 0
N:=N+1在Print(N)和N=0之后，此时N值分为N, 0, 1
N:=N+1在Print(N)和N=0之间，此时N值分为N, N+1,
2.2 进程的定义
2.2.1 定义概念
进程有很多各式各样的定义:
- 行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上执 行时所发生的活动称为进程。
一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的 一次运行活动。
进程是一个程序与其数据一道通过处理机的执 行所发生的活动。
进程实体：程序段、相关的数据段、进程控制块PCB。
2.2.2 进程同程序的比较
程序是静态的，进程是动态的
- 程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念；
- 进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。
程序是永久的，进程是暂时的
- 程序可以作为一种软件资料长期存在
- 进程是有一定生命期的
笔者自己的话：进程是程序的一次生命活动，进行具备自己的身份证（PCB），有生存所需的资源（数据段），而程序中的指令规定了进程具体进行怎样的生命活动。进程是一个人类，它具有生老病死；程序是上帝，它永生，它造人，并规定怎样活动。
- 进程更能真实地描述并发，而程序不能；
- 进程是由程序和数据、进程控制块三部分组成的；
- 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有
- 同一程序同时运行于若干个数据集合上，它将属于若干个不同的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程。
进程的特性：
- 结构特征：由程序段、数据段、进程控制块三部分组成；
- 动态性：进程是程序的执行；
- 并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时间内同时运行；
- 独立性：独立运行的基本单位，独立获得资源和调度的基本单位；
- 异步性：各进程按各自独立的不可预知的速度向前推进。
2.2.3 状态及转换
进程有三种基本状态
- 进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一
- 就绪、运行、阻塞
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1.就绪状态（Ready）：当进程已经获得了除CPU以外的所有资源，一旦得到CPU，就立即可以运行，则这些进程所处的状态为就绪状态。
- 就绪队列：所有处于就绪状态的进程所在的队列。
2.运行状态（Running）：正在运行的进程所处的状态为运行状态。
- 单处理机系统 一个进程处于运行状态
- 多处理机系统有多个进程处于运行状态
3.阻塞/等待状态（Blocked/Wait）：若一进程正在等待某一事件发生（如等待输入/输出工作完成），这时即使给它CPU，它也无法运行，称该进程处于等待状态，或阻塞、睡眠、封锁状态。
阻塞队列：系统根据阻塞原因设置多个队列来管理处于阻塞状态的进程。
三状态转换图：
只有就绪，运行与阻塞
五状态转换图：
加入了拿到数据资源前的新建状态与运行完毕后的退出状态
七状态转换图：
引入了挂起状态（分就绪挂起与阻塞挂起）
引入原因：
- 终端用户的请求
- 父进程请求
- 负荷调节的需要
- 操作系统的需要
- 对换的需要
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思考题：
1、如果单处理机系统中有N个进程，运行的进程最多几个，最少几个；就绪进程最多几个最少几个；等待进程最多几个，最少几个？
1 , 1 , n-1 , 0 , n-1 , 0
2、有没有这样的状态转换，为什么？
阻塞—运行； 就绪—阻塞
2.2.4 进程控制块（Process Control Block）
定义：
1.为了描述和控制进程运行，系统为每个进程定义了一个数据结构，称为进程控制块（PCB）。
2.PCB中记录了OS所需的、用于描述进程当前情况以及控制进程运行的全部信息。
3.作用
- 将一个不能独立运行的程序变成一个可以独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。
- OS利用PCB来对并发执行的进程进行控制和管理，PCB是OS感知进程存在的唯一标志。
4.进程与PCB是一一对应的。
5.PCB应常驻内存。
PCB的内容
1.进程控制基础信息：
- 当前状态
- 优先级(priority)
- 代码执行入口地址
- 程序的外存地址
- 运行统计信息（执行时间、页面调度）
- 进程间同步和通信
- 阻塞原因
- 进程的队列指针
- 进程的消息队列指针
2.所拥有的资源和使用情况：
- 虚拟地址空间的现状
- 打开文件列表
3.CPU现场保护信息：
- 寄存器值（通用、程序计数器PC、程序状态字PSW，地址包括栈指针）
- 指向赋予该进程的段/页表的指针
PCB的组织
PCB表
- 系统把所有进程的PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，就构成了PCB表。
- PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度。
表结构：
1.链接结构
- 相同状态的进程PCB组成一个链表，不同状态对应多个不同的链表。
就绪链表、阻塞链表
2.索引结构
- 相同状态的进程，设置一个PCB索引表，存放这些进程PCB在PCB表中的地址。
2.2.5 思考
1.为什么要引入进程的概念？
程序的执行属于并发执行，此时它们将失去其封闭性，并具有间断性，以及其运行结果不可再现性的特征，所以，这决定了通常的程序不能参与并发执行，为了能使程序并发执行，引入了进程的概念。
2.请说说PCB的作用。
- 将一个不能独立运行的程序变成一个可以独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。
- OS利用PCB来对并发执行的进程进行控制和管理，PCB是OS感知进程存在的唯一标志。
2.3 进程的控制
进程控制是对系统中的所有进程实施管理。
- 创建一个新进程
- 终止一个已完成的进程
- 终止一个因出现某事件而无法运行下去的进程
- 负责进程运行中状态的转换
进程控制一般由OS内核的原语来实现。
原语是一种特殊的系统功能调用，它可以完成一个特定的功能，其特点是原语执行时不可被中断
OS内核：
通常将OS中一些与硬件紧密相关的模块诸如中断处理程序、各种常用设备的驱动程序以及运行频率较高的模块（时钟管理、进程调度）以及许多模块公用的一些基本操作）都安排在紧靠硬件的软件层次中，并使它们常驻内存，以提高OS的运行效率，并对它们加以特殊的保护。这部分就是OS的内核。
OS内核应包含的功能
支撑功能
- 中断处理：内核最基本的功能
- 时钟管理
- 原语操作：内核完成一些操作，如进程控制。
资源管理功能
- 进程管理：全部或大部分放入内核
- 存储器管理
- 设备管理
2.3.1 进程创建
- 获取进程的PID
- 申请空白PCB
- 为新进程分配资源 如内存
- 初始化进程控制块
- 将新进程插入就绪队列
用fork() 创建一个继承的子进程
- 复制父进程的所有变量和内存
- 复制父进程的所有CPU寄存器(有一个寄存器例外)
- 子进程的fork()返回0
- 父进程的fork()返回子进程标识符
- fork() 返回值可方便后续使用，子进程可使用 getpid()获取PID
也就是说父进程进行一次方法，子进程也将同样进行
例：
循环创建子进程loop次：
第一次：初始父进程创建1次，进程总数：2
第二次：初始父进程和子进程一共创建2次，进程总数：4
第三次：初始父进程和子进程一共创建4次，进程总数：8
……………..
第loop次：初始父进程和子进程一共创建2^(loop-1)次，进程总数：2^loop
2.3.2 进程终止
- 根据被终止进程的标识符，从PCB表中检索出该进程的PCB；
- 若被终止进程处于运行状态，应立即终止执行，并置调度标志为真；
- 结束该进程所有子孙进程的执行，以防成不可控进程；
- 将进程所拥有的资源交给父进程或系统进程；
- 释放PCB 。
2.3.3 进程的阻塞与唤醒
阻塞：
当一个进程所期待的某一事件尚未出现时，该进程调用阻塞原语将自己阻塞。
进程阻塞是进程的自身的一种主动行为。
唤醒：
当被阻塞进程所期待的事件出现时，则由有关进程调用唤醒原语将该进程唤醒。
处于阻塞状态的进程是绝不可能叫醒自己的，它必须由合作进程用唤醒原语唤醒它。
进程在什么情况下会变为阻塞状态？
- 请求系统服务
- 启动某种操作
- 新数据尚未到达
- 无新工作可做
2.3.4 进程的挂起与激活
挂起：当出现了引起进程挂起的事件时，系统利用挂起原语将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起。
激活：当发生激活进程的事件时，系统利用激活原语将指定进程激活。
2.4 线程
2.4.1 线程的引入
引入进程的目的是为了使多个程序并发执行，以改善资源利用率、提高系统吞吐量。
引入线程则是为了减少程序并发执行时的所付出的时空开销。
进程的两个基本属性：
- 进程是一个拥有资源的基本单位。
- 进程是一个独立调度的基本单位。
问题参生：进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中，系统必须为之付出较大时空开销。所以系统中进程的数量不宜过多，进程切换的频率不宜过高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。
为了解决此问题，将进程的两个属性分开：
- 对作为调度的基本单位，不同时作为独立分配资源的单位；
- 对拥有资源的单位，不对之进行频繁切换。
线程因此参生,线程的描述:
- 在引入线程的OS中，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。
- 线程基本不拥有系统资源，只拥有少量必不可少的资源：程序计数器、一组寄存器。
线程的描述
- 线程可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。
- 一个线程可以创建和撤消另一个线程
- 同一进程中的多个线程之间可以并发执行
- 线程之间是无保护
2.4.2 线程与进程的比较
- 在引入线程的OS中，每一进程都拥有多个线程，至少一个。
- 线程具有进程的许多特征，故又称轻型进程，传统进程称重型进程。
1、调度
- 在传统OS中，拥有资源、独立调度和分派的基本单位都是进程，在引入线程的系统中，线程是调度和分派的基本单位，而进程是拥有资源的基本单位。
- 在同一个进程内线程切换不会产生进程切换，由一个进程内的线程切换到另一个进程内的线程时，将会引起进程切换。
2、并发性
- 在引入线程的系统中，进程之间可并发，同一进程内的各线程之间也能并发执行。因而系统具有更好的并发性。
3、拥有资源
- 无论是传统OS，还是引入线程的OS，进程都是拥有资源的独立单位，线程一般不拥有系统资源，但它可以访问隶属进程的资源。即一个进程的所有资源可供进程内的所有线程共享。
4、系统开销
- 进程的创建和撤消的开销要远大于线程创建和撤消的开销，进程切换时，当前进程的CPU环境要保存，新进程的CPU环境要设置，线程切换时只须保存和设置少量寄存器，并不涉及存储管理方面的操作，因此进程切换的开销远大于线程切换的开销。
- 同一进程内的各线程由于它们拥有相同的地址空间，它们之间的同步和通信的实现也变得比较容易。
2.4.3 用户级线程和内核支持线程
对于线程可分为两类：
- 内核支持线程，线程是依赖于内核的，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。
- 用户级线程，对于这种线程的创建、撤消和切换，都不用系统调用来实现。内核并不知道用户级线程的存在。
用户级线程：
- 由应用程序完成所有线程的管理
通过用户空间的线程库(一组管理线程的函数)提供一个线程运行管理系统（运行时系统）。 - 内核不知道线程的存在
- 线程切换不需要核心态特权
- 调度是应用特定的