操作系统知识点总结-进程管理
CouriourC Lv4
  2022-09-09 12:42:33 2022-09-09 12:42    

进程

进程是资源分配的基本单位。

进程控制块(Process Control Block PCB)描述进程的基本信息和运行状态，所谓的创建进程和撤销进程，都是指对 PCB 的操作。

进程控制块包含下列信息：

1. 进程标识符（PID）

进程标识符用于唯一地标识一个进程。

一个进程通常由两种标识符组成：

  • 内部标识符

在所有操作系统中，都为每一个进程赋予了一个唯一的数字标识符，它通常是一个进程的序号，设置内部标识符主要是为了方便系统使用。

  • 外部标识符

它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户（进程）在访问该进程时使用，为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可以设置用户标识，以标识拥有该进程的用户。

可以参考一个指令

1
2
kill pid 
kill p_name

2. 处理机状态

处理机状态信息主要由处理机的各种寄存器的内容组成。

包括： 通用寄存器、指令计数器、程序状态字 PSW、用户栈指针

这些信息显然和进程相关，因此，进程一旦被中断，就必须把这些信息保存在 PCB 中，以便在恢复运行时能完全恢复中断前的状态。

3. 进程调度信息

在 PCB 中还存放一些进程调度和进程对换相关的信息。

包括：进程状态、进程优先级、进程调度所需要的其他信息（所采用的进程调度算法有关），事件（指进程由执行状态变为阻塞态所等待发生的事件，即阻塞原因）

4. 进程控制信息

  • 程序和数据的地址。

  • 进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必须的机制，如消息队列的指针、信号量等，他们可能全部或部分的放在 PCB中。

  • 资源清单，列出了出 CPU以外的、进程所需的全部资源及已经分配到改进程的资源清单。

  • 链接指针，他给出了本进程（PCB）所在队列的下一个进程的 PCB 的首地址。

classDiagram
    class PCB
    PCB : +唯一标识符
    PCB : +状态机信息
    PCB : +进程调度信息
    PCB : +进程控制信息

进程的特征

  1. 动态性（进程的基本特征）

    进程是程序的一次执行过程，是动态地产生，变化和消亡

  2. 并发性

    内存中有多个进程实体，各进程可并发执行

  3. 独立性

    进程是独立运行，独立获得资源，独立接受调度的基本单位

  4. 异步性

    各进程按各自独立的，不可预知的速度向前推进，操作系统要提供”进程同步机制“来解决异步问题

  5. 结构性

    每个进程都会配置一个 PCB ，结构上看，进程由程序段，数据段，PCB 组成

进程态的切换

img

  • 创建态(created): 进程正在被创建，包括建立空白 PCB，由系统为进程分配资源等。

基本状态

  • 就绪状态(ready): 进程获得了除了处理机外的一切资源，一旦获得了处理及资源就可以立刻开始运行，系统中处于就绪态的进程可以由很多个，通常将他们排成一个队列，称为就绪队列。

  • 运行状态(running)：进程正在处理机上运行。单处理机情况下每一每刻最多只有一个进程处于运行态。

  • 阻塞状态(waiting): 进程请求等待某个事件发生，在该事件完成前，即使处理机资源空闲，该进程也不能运行，例如请求了系统调用或者是等待某些资源。

  • 中止态(dead): 进程正在结束。系统先将进程置为结束态，之后再进行资源的释放和回收等工作。

需要注意:

  • 只有就绪态和运行态可以相互转换,其他的都是单向转换,就绪状态的进程通过调度算法从而获得 CPU 事件,转为运行状态;而运行状态的进程,在分配给他的 CPU 时间片用完之后就会转为就绪状态,等待下一次调度。
  • 阻塞状态是缺少需要的资源从而由运行状态转换而来,但是该资源不包括CPU时间,缺少CPU 时间会从运行态转换为就绪态。
  • 运行态道阻塞态一般是主动的行为。
  • 阻塞态道就绪态是被动的行为。

进程的组织方式

  • 链式方式：将同一状态的 PCB 连接道同一个队列
  • 索引方式：将同一状态的 PCB 放在同一个索引表中

进程控制

进程控制是用原语来实现的：

tips:

原语是指执行期间不允许终中断的程序段，是同一个不可分割的基本单位。

通过”关中断指令“和”开中断指令“实现了原语的原子性

进程的创建

创建原语

  1. 申请空白 PCB
  2. 为进程分配所需资源
  3. 初始化 PCB
  4. 将 PCB 插入就绪队列（创建态->就绪态）
graph TB;
start(申请空白的PCB);
assign(分配所需资源);
init(初始化 PCB);
insert(将 PCB 插入就绪队列);
%%  开始连接
start-->assign-->init-->insert;

引起进程创建的事件

  1. 用户登陆
  2. 作业调度（有新的作业将要运行）
  3. 提供服务
  4. 应用请求（用户进程主动请求创建子进程）

进程的终止

撤销原语
  1. 从 PCB 集合中找到终止进程的 PCB
  2. 若进程正在运行，立刻剥夺 CPU，将 CPU 分配给其他进程
  3. 中止其所有的子进程
  4. 将该进程的所有资源归还给父进程或是操作系统
  5. 删除 PCB
graph TB;
kill(找到终止进程);
checkStatus
assign(立刻剥夺 CPU);
stopChildProcess(终止其子进程);
delete(删除所有的 PCB);
%%  开始连接
kill-->checkStatus
checkStatus--正在运行==>assign-->stopChildProcess
checkStatus--其他状态==>stopChildProcess
stopChildProcess-->delete
引起进程终止的事件

  • 正常结束

  • 异常结束

  • 外界干预

进程切换

切换原语
  1. 将运行环境信息存入 PCB
  2. 将 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 恢复进程所需的运行环境
引起切换的事件
  • 当前进程时间片到，该被处理了
  • 更高级的进程到达
  • 当前进程主动阻塞
  • 当前进程中止

进程通信

1. 共享存储

  • 两个进程对共享空间的访问必须时互斥的（临界资源）

  • 操作系统只提供共享空间和同步互斥工具（P,V操作）

    主要有两种方式:

    • 基于数据结构的共享
      • 只能共享固定的数据结构
      • 速度慢，是一种低效的共享方式
    • 基于存储区的共享
      • 共享方式和大小由进程自己决定
      • 速度快，是一种高级的共享方式

2. 管道通信

  • 管道是半双工的，先进先出的，它把一个进程的输出和另一个进程的输入连接在一起

  • 一个进程（写进程）在管道的尾部写入数据，另一个进程（读进程）从管道的头部读出数据

  • 无名管道用于父子进程之间的通信；有名管道用于运行同一个系统中的任意两个进程间的通信

  • 各个进程对管道的访问是互斥的

  • 管道没有写满的时候，不能向管道中再写（读）数据

  • 从管道中读取数据是一次性的，数据一旦被读取就会从管道中抛弃

  • 一次只能由一个读进程，但是可以有多个写进程

无名管道：创建管道——读管道——写管道——关闭管道

有名管道：创建管道——删除管道——打开管道——关闭管道——读管道——写管道

3. 消息传递

进程间的数据交换以格式化消息（message）为单位。

通过发送消息/接收消息两个原语进行

直接通信方式

发送进程直接将消息发送到接受进程的消息缓冲队列中

间接通信方式

发送进程将消息发送到某个中间实体，一般为__信箱__，接收端从中间实体接受消息

线程

基本概念

线程是独立调度的基本单位。

一个进程中可以由多个线程，他们共享进程资源。

比如：QQ和浏览器是两个进程，浏览器中里面由很多线程，竟然刚好探讨到了浏览器的线程，值得一提的是单个页面基本有五种线程构成，包含插件线程，网络请求线程，计时器线程，渲染线程，事件触发线程（DomEvent），JS 线程。这里可以知道线程之间是可以共享资源 (HTML)的，但是浏览器的运行与QQ之间是不可通信的，资源是不共享的，QQ又有自己的进程，其下还有自己的线程。

特点

调度

线程作为独立调度的基本单位，进程内的线程调度不会引起进程切换，开销更小。

并发性

  • 同一进程内的线程可以并发运行。
  • 不同进程间内的线程可以并发运行。

资源

  • 线程几乎不占有资源，而是共享进程资源。

支持多处理机系统

  • 可以将多个线程分配给多个处理机运行。

线程的实现方式

线程库支持的线程（用户级线程 User-Level Threed,ULT）

  • 线程的切换由应用程序负责，在用户态下即可完成。
  • 线程表存储在用户空间，系统内核意识下到线程的存在。
  • 调度：
    • 操作系统为进程分配时间片。
    • 用户的调度程序再将时间片分给线程。
  • 优点
    • 线程的切换在用户态即可完成，开销小，效率高。
  • 缺点
    • 当一个线程阻塞后，其他线程都会被阻塞，并发度不高。

多线程模式

一对一模式

一个用户级线程映射一个内核级线程（一个 UTL 一个 TCB(Thread Control Block))

优点
  • 并发能力强
缺点
  • 开销大

多对一模式

将多个用户级线程映射到一个内核级线程，等同于用户级线程（多个 UTL 一个 TCB）

优点
  • 效率高

缺点

  • 并发能力弱，多个线程不能并行的运行在多个处理机上

多对多模式

将 n 个 ULT 映射到 m 个内核级线程（ m <= n）

线程的控制

线程的切换

graph LR
Wait((就绪))
Running((运行))
Stop((阻塞))

classDef default fill: #f9a, stroke: #333, stroke-width: 4px;

Wait--    "③被调度程序选中" -->Running
Running --"②时间用完"      --> Wait
Stop --   "④等待事件发生"   -->Wait
Running-- "①等待某事件"    -->Stop

线程的组织与控制

将 TCB 组织成线程表进行管理

classDiagram
    class TCB
    TCB : +线程控制标识符
    TCB : +线程计数器
    TCB : +其他寄存器信息，存放中间结果
    TCB : +堆栈指针
    TCB : +线程运行状态["Wait Runing Jam"]
    TCB : +优先级

总结

  • 资源

进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问所属进程的资源

  • 调度

线程是独立调度的基本单位，在同一个进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换

  • 系统开销

由于创建或撤销进程时,系统都要为之分配或回收资源，如内存空间，I/O 设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进 CPU 环境的设置，而线程切换时只需要设置和保存少量的少量的寄存器内容，故开销也很小。

  • 通信方面

线程间可以通过直接读写同一进程中的数据进行通信，但是进程通信需要借助 PIC。

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