操作系统 ch3 进程 processes

概念

在执行的程序。不只是执行中的程序代码，还包括当前活动（通过程序计数器的值和处理器寄存器的内容来表示）、进程堆栈段（包括临时数据如函数参数、返回地址和局部变量）、数据段（包括全局变量）、堆（在进程运行期间动态分配的内存）。
内存中的进程结构：

进程由代码（可能共享）、数据、状态组成。

多个进程与一个程序相关时，他们的文本段是共享的

Trace of the Process

进程的指令序列为Trace

Dispatcher负责进程的切换

User view of processes

Process Creation

1. 父进程可以与子进程一起执行
2. 父进程也可以等子进程结束再执行

进程树

两种方式：

1. fork() 系统调用创建新进程，两个进程都继续执行 fork 之后的指令
2. exec() 系统调用用新程序替换进程内存空间

Process Termination进程终止

exit 主动

进程执行完成最后语句，使用 exit 系统调用来请求操作系统删除自身。

1. 可以通过 wait 向父进程返回状态值
2. 所有进程资源被释放

abort 被动

父进程执行 abort 等系统调用终止子进程。有如下等原因：

1. 使用超过分配到的资源
2. 被分配的任务已不再需要
3. 父进程终止

Kernel view of processes

PCB

一个进程在运行时包含很多信息，如标识符、状态、程序计数器、内存指针、上下文数据、输入输出状态信息等。这些信息存储在进程控制块(Process Control Block, PCB) 中。PCB 是进程的快照。

进程状态

进程有如下状态：

1. new 新的: 进程正在被创建
2. ready 就绪: 等待分配处理器
3. running: 正被执行
4. waiting: 等待某个事件的发生（如 I/O 完成）
5. terminated 终止: 完成执行
   

进程创建

当操作系统想要创建新的进程时，要：

1. 分配唯一的进程标识符
2. 为进程分配空间
3. 初始化PCB
4. 设置适当的链接
5. 创建或扩展其他数据结构

进程切换

该过程也成为上下文切换 context switch。
进程切换的具体步骤：

1. 保存处理器的上下文，包括程序计数器和其他寄存器
2. 更新正在运行的进程的PCB
3. 将PCB移到合适的队列
4. 选择另一个进程执行
5. 更新被选择进程的PCB
6. 更新内存管理数据结构
7. 还原所选进程的上下文

进程调度队列 Process Scheduling Queues

1. Job queue – set of all processes in the system.

2. Ready queue – 主存中准备就绪并等待执行的进程集合

3. Device queues – 等待 IO 设备的进程集合
   

PCB 随着其状态的变化在进程中移动。

调度程序 Schedulers

Long-term scheduler(job scheduler)

从缓冲池中选择进程装入内存中以准备执行。控制多道程序设计的程度（内存中的进程数量）。执行不频繁，有更多时间选择进程。比如进程有I/O-bound(IO操作多) 和 CPU-bound(cpu操作多)两种，在选择进程时需要合理的选择两种进程。

Short-term scheduler(CPU scheduler)

从准备执行的进程中选择接下来应执行的进程并分配 CPU。
必须频繁为cpu 选择进程，执行要快。

进程间通信 Interprocess Communication(IPC)

协作进程Cooperating process：会被其他进程的执行影响或影响其他进程。
独立进程Independent process：与其他进程无关
进程协作的优点：

1. 信息共享 Information sharing
2. 提高运算速度 Computation speed-up
3. 模块化Modularity
4. 方便 Convenience

IPC允许协作进程交换数据与信息，即进行进程间通信。
进程间通信有两种方法：

1. 消息传递。通常用系统调用来实现，适用于交换数量少的数据。
2. 共享内存。仅在建立共享内存区时用到系统调用，速度更快。
   

共享内存系统——生产者-消费者问题

生产者进程产生信息供消费者进程消费。

Shared data
#define BUFFER_SIZE 10
Typedef struct {
. . .
} item;
item buffer BUFFER_SIZE;
int in = 0;
int out = 0;

in 指向缓冲中下一个空位，out 指向缓冲中第一个满位。
Producer process

item nextProduced;
while (1) {
while (((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out)
; / do nothing /
bufferin = nextProduced;
in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}
Consumer process
item nextConsumed;
while (1) {
while (in == out)
; / do nothing /
nextConsumed = bufferout;
out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
}

这种方法最大缓冲项数为 BUFFER_SIZE - 1.

消息传递系统

信息传递工具提供至少两种操作：

1. send(message) – 消息可以定长、变长
2. receive(message)

如果进程 P,Q 想要通信，那么一定要有通信线路(communication link)来实现彼此发送、接收消息。
通信线路的实现有物理实现和逻辑实现，这里仅说明逻辑实现的一些方法：

1. 直接或间接通信
2. 同步或异步通信
3. 自动或显式缓冲

直接通信 Direct Communication

进程必须明确命名接收者、发送者。
send (P, message) – 发送消息到进程 P。
receive(Q, message) – 接收消息从进程 Q。

间接通信 Indirect Communication

通过邮箱 mailbox 或者端口发送接收消息。每个邮箱都有唯一标识符。要进行通信的进程要共享至少一个邮箱。
send(A, message) – send a message to mailbox A。
receive(A, message) – receive a message from mailbox A。
问题：P1, P2, and P3 共享邮箱 A.
P1发送信息; P2 and P3 谁接收信息？
解决方案：

1. 一个线路最多关联两个进程
2. 一次最多允许一个进程去接收
3. 系统随便选择一个进程接收消息。给发送者标识接受者。

同步 Synchronization

消息传递可以是阻塞 blocking、非阻塞 Non-blocking 的，即同步 synchronous、异步asynchronous。
发射与接收可以进行任意的组合。

缓冲

通信进程交换的信息都停留在临时队列中，队列有三种方式：

1. 0容量。线路中不能有消息在等待，故必须阻塞发送，直到接收者收到信息
2. 有限容量。
3. 无限容量。

0容量为没有缓冲的消息系统，其他成为自动缓冲。

管道 pipe

管道本质上就是一个文件，前面的进程以写方式打开文件，后面的进程以读方式打开。这样前面写完后面读，于是就实现了通信。
ls | wc 在ls 和 wc 进程之间创建了管道。