【计算机操作系统学习笔记】第二章：进程的描述与控制

前言：

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2.1 前趋图和程序执行……P32

由于程序并发执行时的特征，才在操作系统中引入进程的概念。
前趋图：指一个有向无循环图（不允许有循环），可记为：DAG 。

没有前趋的结点称为初始节点。

没有后趋的结点称为终止结点。

每个节点还有一个重量，用于表示该节点所含有的程序量或程序的执行时间。

程序顺序执行的特征：

顺序性。

封闭性。（不受外界影响）

可再现性。（重复执行的结果都是一样的，无论执行是否流畅）

程序并发执行特征：

间断性。

失去封闭性。

不可再现性。

2.2 进程的描述……P35

资源分配和独立运行的基本单位 都是进程。
进程控制块简称：PCB。
系统利用PCB来描述进程的基本情况和活动过程。
由程序段、相关的数据段、PCB三部分构成进程实体（又称进程映象)。简称：进程。
创建、撤销进程，实质就是创建、撤销进程中的PCB。
进程的定义：。

(1)进程是程序的一次执行。

(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。

进程的特征：

PCB结构。

动态性。（最基本的）

并发性。（OS的重要特征）（程序没有建立PCB，所以不能参与并发执行。）

独立性。

异步性。

进程的三种状态：

就绪状态。（排成的队列叫：就绪队列）

执行状态。

阻塞状态。（又叫暂停状态、等待状态、封锁状态）

三种基本状态的转换：

进程的五种基本状态及转换：

挂起原语（Suspend）和激活原语（Active）。

静止就绪状态Readys。

静止阻塞状态Blockeds。

活动阻塞状态Blockeda。

进程控制块PCB的作用：

作为独立运行基本单位的标志。（系统就是通过PCB感知进程的存在）

能实现间断性运行方式。

提供进程管理所需要的信息。

提供进程调度所需要的信息。

实现与其他进程的同步与通信。

进程控制块中的信息

进程标识符

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的。这些寄存器包括:

①通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有8~32个通用寄存器，在RISC结构的计算机中可超过100个;

②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址;

③程序状态字PSW,其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等;

④用户栈指针，指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。栈指针指向该栈的栈顶。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，以便在该进程重新执行时能再从断点继续执行。

进程调度信息

在os进行调度时，必须了解进程的状态及有关进程调度的信息，这些信息包括:

①进程状态，指明进程的当前状态，它是作为进程调度和对换时的依据;

②进程优先级，是用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机;

③进程调度所需的其它信息，它们与所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;

④事件，是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。

进程控制信息

是指用于进程控制所必须的信息，它包括:

①程序和数据的地址，进程实体中的程序和数据的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据;

②进程同步和通信机制，这是实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中;

③资源清单，在该清单中列出了进程在运行期间所需的全部资源(除CPU以外)，另外还有一张已分配到该进程的资源的清单;

④链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。

进程控制块的组织方式

2.3 进程控制……P42

OS内核的功能

支撑功能。

中断处理。(最基本的）

时钟管理。

原语操作。（* 所谓的原语【Primitive】，就是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程。** 原子操作：一个不可分割的基本单位。）

资源管理功能。

进程管理。

存储器管理。

设备管理。

UNIX具有进程层次结构，Windows不存在任何进程层次结构的概念。而是采用获得句柄与否，控制被控制的简单关系。

进程的创建。

申请空白PCB。

为新进程分配其运行所需的资源。（包括：各种物理和逻辑资源。如内存、文件、I/O设备、CPU时间。）

初始化进程控制块PCB。（包含三步）

如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。

引起进程终止的事件。

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。

进程的阻塞与唤醒。
进程的挂起和激活。

2.4进程同步……P47

硬件同步机制

关中断。

利用Test-and-Set指令实现互斥。

利用Swap指令实现进程互斥。

信号量机制

整型信号量。（通过原子操作）

记录型信号量。

AND型信号量。

信号量集。

信号量的应用

利用信号量实现进程互斥。

利用信号量实现前趋关系。

管程机制

Hansan为管程所下的定义是:“一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。”

管程由四部分组成:

①管程的名称;
②局部于管程的共享数据结构说明;
③对该数据结构进行操作的一组过程;
④对局部于管程的共享数据设置初始值的语句。

管程是一种程序设计语言的结构成分，它和信号量有同等的表达能力，从语言的角度看，管程主要有以下特性:

①模块化，即管程是一个基本程序单位，可以单独编译;
②抽象数据类型，指管程中不仅有数据，而且有对数据的操作;
③信息掩蔽，指管程中的数据结构只能被管程中的过程访问，这些过程也是在管程内部定义的，供管程外的进程调用，而管程中的数据结构以及过程(函数)的具体实现外部不可见。

管程和进程不同：

① 虽然二者都定义了数据结构，但进程定义的是私有数据结构PCB,管程定义的是公共数据结构，如消息队列等;
② 二者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序程序执行有关操作，而管程主要是进行同步操作和初始化操作;
③ 设置进程的目的在于实现系统的并发性，而管程的设置则是解决共享资源的互斥使用问题;
④ 进程通过调用管程中的过程对共享数据结构实行操作，该过程就如通常的子程序一样被调用，因而管程为被动工作方式，进程则为主动工作方式;
⑤进程之间能并发执行，而管程则不能与其调用者并发;
⑥进程具有动态性，由“创建”而诞生，由“撤消”而消亡，而管程则是操作系统中的一个资源管理模块，供进程调用。

2.5经典进程的同步问题……P60

生产者——消费者问题

利用记录型信号量解决生产者——消费者问题

利用AND信号量解决生产者——消费者问题

利用管程解决生产者——消费者问题

哲学家进餐问题

利用记录型信号量解决哲学家进餐问题

利用AND信号量机制解决哲学家进餐问题

读者——写者问题

利用记录型信号量解决读者——写者问题

利用信号量集机制解决读者——写者问题

2.6 进程通信……P67

进程通信的类型

共享存储器系统

管道通信系统

消息传递系统

客户机——服务器系统

消息传递通信的实现方式

直接消息传递系统

信箱通信

2.7 线程（Threads）的基本概念……P75

线程作为调度和分配的基本单位。
线程控制块TCB

如同每个进程有一个进程控制块一样，系统也为每个线程配置了一个线程控制块TCB，将所有用于控制和管理线程的信息记录在线程控制块中。线程控制块通常有这样几项:

① 线程标识符，为每个线程赋予一个唯一的线程标识符;
② 一组寄存器，包括程序计数器PC、状态寄存器和通用寄存器的内容;
③ 线程运行状态，用于描述线程正处于何种运行状态;
④ 优先级，描述线程执行的优先程度;
⑤ 线程专有存储区，用于线程切换时存放现场保护信息，和与该线程相关的统计信息等;
⑥ 信号屏蔽，即对某些信号加以屏蔽;
⑦ 堆栈指针，在线程运行时，经常会进行过程调用，而过程的调用通常会出现多重嵌套的情况，这样，就必须将每次过程调用中所使用的局部变量以及返回地址保存起来。为此，应为每个线程设置一个堆栈，用它来保存局部变量和返回地址。相应地，在TCB中，也须设置两个指向堆栈的指针:指向用户自己堆栈的指针和指向核心栈的指针。前者是指当线程运行在用户态时，使用用户自己的用户栈来保存局部变量和返回地址，后者是指当线程运行在核心态时使用系统的核心栈。

多线程OS中的进程属性

进程是一个可拥有资源的基本单位。

多个线程可以并发执行。

进程已不是可执行的实体。

2.8 线程的实现……P79

线程的实现方式

内核支持线程KST

优点：

在多处理器系统中，内核能够同时调度同一进程中的多个线程并行执行;

如果进程中的一个线程被阻塞了，内核可以调度该进程中的其它线程占有处理器运行，也可以运行其它进程中的线程;

内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程的切换比较快，切换开销小;

内核本身也可以采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率。

内核支持线程的主要缺点是:

对于用户的线程切换而言，其模式切换的开销较大，在同一个进程中，从一个线程切换到另一个线程时，需要从用户态转到核心态进行，这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的，系统开销较大。

用户级线程ULT

优点：

线程切换不需要转换到内核空间。对一个进程而言，其所有线程的管理数据结构均在该进程的用户空间中，管理线程切换的线程库也在用户地址空间运行，因此进程不必切换到内核方式来做线程管理，从而节省了模式切换的开销。

调度算法可以是进程专用的。在不干扰OS调度的情况下，不同的进程可以根据自身需要选择不同的调度算法，对自己的线程进行管理和调度，而与OS的低级调度算法是无关的。

用户级线程的实现与OS平台无关，因为对于线程管理的代码是属于用户程序的一部分，所有的应用程序都可以对之进行共享。因此，用户级线程甚至可以在不支持线程机制的操作系统平台上实现。

主要缺点则在于:

系统调用的阻塞问题。在基于进程机制的OS中，大多数系统调用将使进程阻塞，因此，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被阻塞，而且，进程内的所有线程会被阻塞。而在内核支持线程方式中，则进程中的其它线程仍然可以运行。

在单纯的用户级线程实现方式中，多线程应用不能利用多处理机进行多重处理的优点，内核每次分配给个进程的仅有个CPU,因此，进程中仅有一个线程能执行，在该线程放弃CPU之前，其它线程只能等待。

组合方式