操作系统 第三章 进程

第三章

3.1初识进程

进程（Process）

1.操作系统最核心的概念之一
2.操作系统要面对的最核心的管理对象
3.占用cpu资源和其他资源的实体

什么是进程？

1.一个正在计算机上执行中的程序
2.一个能分配给处理器执行的实体
3.一个具有一下特征的活动单元：一组指令序列的执行、一个当前状态和相关的系统资源集

所以，进程是一个程序的一次动态执行过程。

进程重要性

1.用户的所有程序均通过进程的形式进行
2.操作系统给用户提供的各种服务也是以进程的形式进行
3.进程管理模块是操作系统最核心的一个模块

讨论：如果不引入进程，使用程序作为管理对象，可以么？

答：可以，但是使用程序作为管理对象会出现很多问题无法解决。如音乐播放器无法同时播放两首歌，无法实现并发。（答案并不唯一）

通过上述的讨论，可以明白操作系统需要引进进程，那么，为什么操作系统需要引入进程呢？

1.使用进程描述每一个程序的每一次动态执行。
2.通过进程实体来管理控制每一个程序的每一次执行过程。
3.引入子进程，让一个大的程序段可以并发，加快程序推进且提高CPU利用率。

引入子进程

并发运行的基本特征

1.异步特征
2.资源共享特征
3.相互制约特征
4.不可重现性特征

进程和程序的区别

程序： 完成一件事情的代码序列
进程： 一个程序的一次动态执行过程
> 程序是静态的，进程是动态的
> 程序只包含代码，进程包括要运行的代码、代码要处理的数据、运行过程中的状态参数等

进程和程序的关联

1.进程是操作系统为了管理控制程序的运行而加设的一个概念和尸体
2.程序不运行，就没有进程，一个进程是一个程序的一次执行过程。
3.一个程序可能对应多个进程。

作业、程序、进程

作业	
	用户提交给系统的一个计算任务
	批作业=程序+数据+作业控制说明书
	交互作业=程序+数据+交互命令
	作业是用于人机之间交互的一个概念
程序
	程序是作业的组成部分
进程
	进程对应程序的一次动态执行过程

3.2 进程与进程管理模块

进程的特征

1.动态特征：生命周期
2.并发特征：在一个时间段内都处于宏观的运行状态
3.独立特征：独立占有资源、独立参与cpu调度
4.异步特征：运行推进速度不可预知
5.结构特征：PCB+进程体

进程的组成

进程控制块PCB

主要内容

• 进程标识
  1. 外部标识（也叫做进程的外部名）
     • 是进程的创建者提供的进程名字，通常为字符串组成
  2. 内部标识（也称作进程的内部名，简记Pid
     • 是系统为进程命名的一个代码，通常是一个整型数据
• 调度信息
  1. 进程优先数，描述进程紧迫性的信息
  2. 进程状态信息，描述进程当前处于何种状态
  3. 其他调度信息（如进程在系统中等待的时间、已经在cpu上运行的时间、剩余的运行时间等）
• 处理机信息（进程上下文）进程被中断时，该进程的CPU现场信息可以保存在他自己的PCB内，以便该进程重新获得CPU时可以从此处恢复现场信息，继续运行。
  1. 通用寄存器的内容：包括数据寄存器、段寄存器等
  2. 程序状态字PSW（Program Status Word）
  3. 程序计数器PC（Program Count）
  4. 进程的堆栈指针
• 进程控制信息
  1. 程序代码和数据集所在的内存地址
  2. 资源清单，记载进程请求资源和已经占有资源的情况
  3. 同步和通信信息
  4. 外存地址
  5. 家族信息
  6. 链接指针

进程管理模块

1. 进程控制
   • 创建新进程，撤销结束进程
   • 阻塞或者唤醒进程
   • 挂起或激活进程
   • 进程同步和进程互斥
   • 进程通信
2. 进程调度
   • 根据进程当前状态决定哪个进程获得CPU，以及占用多长时间
   • 将cpu分给进程

3.3 进程状态转换

两状态进程模型

进程的三种基本状态

1.运行状态（Running） -> 进程获得CPU并投入运行的一种状态
	单CPU系统中，每个瞬间最多只有一个进程
2.就绪状态（Ready） -> 进程尚未获得CPU使用权的一种状态
	进程已经拥有除CPU外其他全部所需资源，"万事俱备、只欠东风"
3.阻塞状态  ->  进程因某种要求得不到满足，只好等待，我们称之为运行"受阻"
	处于阻塞状态的进程是无权获得CPU的

两种挂起状态

将内存中的当前某个尚不能运行的进程调到外存上去，腾出来的空间接纳更多的进程。这一处理称作进程"挂起"（Suspend）
目的：
	挂起某某些暂时不能运行的进程，目的是腾出内存装入更多的进程，让CPU忙碌起来。
两种挂起状态：
	挂起就绪（S-Blocked）、挂起阻塞（S-Ready）

3.5 父进程和子进程

问题：进程什么时候被创建？

1.批作业调度
2.交互作业提交
3.系统提供服务
4.用户程序创建子进程

fork函数详解

1. 函数原型 pid_t fork(void)
2. 该函数包含于头文件unistd.h中
3. 函数功能：
   1. 创建一个新的子进程，子进程会复制父进程的数据和堆栈空间，并继承父进程的用户代码、组代码、环境变量、已打开的文件代码、工作目录和资源限制等
4. 函数返回值：
   1. 如果fork()调用成功，则在父进程会返回新建立的子进程代码(PID)，而在新建立的子进程中则返回0
   2. 如果fork()调用失败则直接返回-1，失败原因有三种：
      1. 系统内存不足
      2. 进程表满（容量一般为200~400）
      3. 用户的子进程太多（一般不超过25个）

5.UNIX中，父进程通过系统调用fork()创建子进程，子进程继承父进程资源，父子进程各自独立。
父子进程各自拥有自己的PCB、内存用户区、临时资源等，各自独立参与CPU调度

3.6 进程状态转换控制原语

原语类型

何时调用阻塞原语？

1. 当正在运行的进程需要等待某一时间而发生运行受阻时，它通过中断请求系统服务
2. 系统按照进程的需求进行适当处理后，启动进程阻塞原语将该进程阻塞起来
3. 引起进程阻塞的原因：
   1. 等待I/O
   2. 请求资源得不到满足
   3. 进程同步约束
   4. 服务进程无事可做

何时调用唤醒原语？

1. 当系统发生某一个事件时，正在等待该事件的进程需要立即被唤醒，由阻塞状态转为就绪状态
2. 进程被唤醒的原因：
   1. 所等的I/O操作已完成
   2. 请求的资源得到了满足
   3. 进程同步约束已经撤销
   4. 服务进程收到新的任务

何时调用挂起原语？

1. 当前内存空间紧缺，部分进程优先运行
2. 应用户要求，将用户进程挂起
3. 应父进程要求，将其子进程挂起
   

何时调用激活原语？

1. 有进程运行完毕，当前内存空间不紧张
2. 应用户要求，将其进程激活
3. 应父进程要求，将其子进程激活
4. 或者进程自身设定的挂起周期已完成

3.7 抢占式调度和非抢占式调度

按照调度方式划分抢占式调度和非抢占式调度

非抢占式调度

当前进程主动放弃处理机控制权，可能情况：
	1. 进程运行完毕退出
	2. 运行受阻
	3. 运行出错，非正常中止
	4. 遇到不可挽回的故障

抢占式调度

也称作剥夺式调度，一般用于有实时需求的系统

1. 主要指在系统正常运转期间，如果由某种时间出现，系统将迫使正在运行的进程停下来，将CPU控制权交给其他进程
2. 其思想源自对高紧迫性作业的响应

抢占式调度结果

3.8 进程调度算法

进程调度

进程调度功能：
	从处于就绪状态的进程中，按照某种调度策略，选择一个进程切换个CPU，使其状态从就绪转为运行
调度方式：
	调度策略

进程调度算法

1. FCFS
2. SPF
3. HPF
4. HRF
5. 最短剩余时间优先算法 SRT
6. RR算法，轮转调度
   1. 应用于分时系统，目标是提高响应及时性
   2. 按照时间片轮转调度
      • 进程轮流使用CPU，各用一个时间片，时间片用完管理程序停止它的运行，并将它转入就绪队列尾部，调度下一个进程
   3. 进程失去CPU不是资源的，而是被系统剥夺的
      4.轮转算法的启动时机：
      1. 一个时间片运行结束
      2. 当前进程运行结束
      3. 正在运行的进程因运行受阻主动放弃了CPU控制权
         
      4. 时间片的选取（时间片的确定通常是以下几个原则）：
         1. 进程道术较多时，q就选的小一点。反之，可以选的大一点
         2. 系统要求的响应时间比较苛刻的时候，q就选的小一些。反之，可以选的大一点
7. 多队列调度算法
   1. 设置多个就绪队
   2. 就绪队优先级不同，优先级别高的队列优先调度
   3. 优先级高的队列为空时，再调度低优先级别队列
      
8. 多级队列反馈调度算法（终端型用户满意、短的批处理作业用户满意、长的批处理作业用户满意）
   1. 设置n个队列Q1,Q2,Q3,...,Qn
   2. 记Qi的优先级别为Pi，有P1>P2>P3>...>Pn
   3. 记Qi的时间片为qi，有q1<q2<q3<...<qn
   4. 新建进程进入Q1队
   5. 只有Q1为空时，才调度Qi+1中的进程
   6. 进程p在Qi中被调度执行，若时间片qi已到但尚未结束，则进程p转为就绪状态进入Qi+1队，进程p在Qn中被调度执行，若时间片已到但尚未结束，则进程转为就绪状态仍进入Qn队

3.10 线程的引入

问题：线程是什么？

1. 线程是现代操作系统引入的一种执行实体
2. 线程称"轻型进程"，进程的组成部分
3. 进程是资源占有单位，线程只是CPU调度单位（也就是线程只是调度，没有单独占有的资源，共享进程的资源）

问题：操作系统为什么要引入线程？

举个例子，刷锅、洗菜、切菜的过程，如果建立子进程，那么当进程切换的时候，是背着包袱切换的，每个进程的资源不一样，需要切换资源，读入读出。