操作系统

进程

进程的发展

• 程序：是一个指令序列
• 早期的计算机(只支持单道程序)：计算机同一时刻只有一道程序在运行，CPU也只为这一个程序服务，内存也只为这一程序存放信息。内存中有程序段(程序代码)和数据段(程序运行过程中需要的数据)
• 多道程序技术：计算机同一时刻可以有多道程序并发运行，内存中也会有多个程序的数据。为了方便操作系统管理，完成各程序并发执行，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)
• PCB、程序段、数据段三部分构成了进程实体(进程映像)，也称为进程
• 所谓创建进程，实质上是创建进程实体中断PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程实体中的PCB
  -PCB是进程存在的唯一标志

进程的定义

• 从不同角度，进程可以有不同的定义，比较传统的定义有：
  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
  • 三个都在强调进程的动态性
• 引入进程实体的概念后，可把进程定义为：
  1.进程是进程实体的运行过程，是系统继续资源分配和调度的一个独立单位
  • 进程实体是静态的，进程是动态的

进程的组成

进程由程序段、数据段、PCB三部分组成

• 程序段：存放程序代码
• 数据段：程序运行时使用、产生的运算数据。如全局变量、局部变量、宏定义的常量
• PCB：操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应包含操作系统对其进行管理所需的各种信息

PCB

• 进程标识符PID：当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的ID，用于区分不同的进程(类似于身份证号码)
• 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哪一句

进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应用适当的方式把这些PCB组织起来

• 链接方式
  • 按照进程状态将PCB分为多个队列
  • 操作系统持有指向各个队列的指针
• 索引方式
  • 根据进程状态的不同，建立几张索引表
  • 操作系统持有指向各个索引表的指针
    
    

进程的特征

进程和程序是两个截然不同的概念

• 动态性是进程最基本的特征

进程的状态与转换

进程的状态

三种基本状态

• 运行态：占有CPU，并在CPU上运行（单核处理机每一时刻最多一个进程处于运行态，双核则两个）
• 就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲的CPU，而暂时不能运行
• 阻塞态，又称等待态：因等待某一事件而暂时不能运行

另外两种状态

• 创建态，又称新建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
• 终止态，又称结束态：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

进程状态的转换

进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能

如何实现进程控制

• 用原语实现进程控制
• 原语的特点是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为原子操作
• 原语采用关中断指令和开中断指令实现

进程控制相关的原语

无论哪个原语，要做的三件事无非是：

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

• 阻塞和唤醒要成对出现
  

进程通信

进程通信就是进程之间的信息交换
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，一个进程不能之间访问另一个进程的地址空间
但是进程之间的信息交换又是必须实现的，为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法

• 共享存储：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）
  • 基于数据结构的共享（比如共享空间里只能放一个长度为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）
  • 基于存储区的共享（在内存中画出一块共享存储区，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）
• 管道通信：是指用于连续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存区
  1. 管道只能采用半双工通信，某一时间段只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要两个管道
  2. 各进程要互斥地访问管道
  3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，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，此时读进程的read()系统调用将被阻塞
  4. 如果没写满不允许读，没读完不允许写
  5. 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况
• 消息传递：进程间的数据交换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
  1. 消息头：发送进程ID、接收进程ID、消息类型、消息长度等格式化的信息
  2. 消息体
  • 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
  • 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”