进程管理（天勤）

一、进程

1、进程的定义

程序：就是一个指令序列

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程印象）。一般情况下，我们把进程实体就简称为进程例如，所谓创建进程，实质上是创建进程实体中的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 !

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。

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

注:严格来说，进程实体和进程并不一样，进程实体是静态的，进程则是动态的。
 

进程(进程实体)由程序段、数据段、PCB三 部分组成

进程的管理者(操作系统)所需的数据都在PCB中

程序本身的运行所需的数据存放在程序段和数据段中

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，应该用适当的方式把这些PCB组织起来。

注:进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

链接方式

 索引方式

 进程的特征

小结 

进程状态及转换

1、三种基本状态

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时又需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态

注意:单核处理机环境下，每时刻最多只有一个进程处于运行态。(双核环境下可以同时有两个进程处于运行态)

进程已经拥有了除处理机之外所有需要的资源，一旦获得处理机，即可立即进入运行态开始运行。即:万事俱备，只欠CPU

如:等待操作系统分配打印机、等待读磁盘操作的结果。CPU是计算机中最昂贵的部件，为了提高CPU的利用率，需要先将其他进程需要的资源分配到位，才能得到CPU的服务

另外两种状态

操作系统需要完成创建进程。操作系统为该进程分配所需的内存空间等系统资源，并为其创建、初始化PCB (如:为进程分配PID) 

进程运行结束(或者由于bug导致进程无法继续执行下去，比如数组越界错误)，需要撤销进程。

操作系统需要完成撤销进程相关的工作。完成将分配给进程的资源回收，撤销进程PCB等工作

进程状态的转换

进制控制

知识总览

 进制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

原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，不可中断

思考：为何进程控制（状态转换）的过程要“一气呵成”？

如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系\统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

Eg：假设PCB中的变量 state 表示进程当前所处状态，1表示就绪态，2表示阻塞态…

假设此时进程2等待的事件发生，则操作系统中，负责进程控制的内核程序至少需要做这样两件事：
①将PCB2的 state 设为1
②将PCB2从阻塞队列放到就绪队列

完成了第一步后收到中断信号，那么PCB2的state=1，但是它却被放在阻塞队列里

如何实现原语的“原子性”？

原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。
可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性

正常情况：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。

CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查。这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”

进程控制相关的原语

创建原语

撤销原语

 阻塞 唤醒

 进程切换

 

知识滚雪球：程序是如何运行的？

 

 1、

 

2、

 3、

4、

解决办法：在进程切换时先在PCB中保存这个进程的运行环境（保存一些必要的寄存器信息）

进程控制相关的原语

1. 更新PCB中的信息
   a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
   b. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
   c. 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

如何实现进程控制

进程通信

知识总览

什么是进程通信？

顾名思义，进程通信就是指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，一个进程不能直接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

进程通信——共享存储

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

进程通信——管道通信

“管道”是指用于连接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冲区

 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
各进程要互斥地访问管道。
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。（缓冲区的特性）
如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。（缓冲区的特性）
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。

进程通信——消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message）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。

• 直接消息传递：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
• 间接消息传递：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称“信箱通信方式”。Eg：计网中的电子邮件系统

二、线程

线程

线程的概念和特点

知识总览

 

什么是线程，为什么要引入线程？

 进程是程序的一次执行。这些功能显然需要用不同的几段程序才能实现，并且这几段程序还要并发运行

 

 当切换进程时，需要保存 / 恢复进程运行环境，还需要切换内存地址空间（更新快表、更新缓存）开销很大

 引入线程后，线程是CPU调度的基本单位

线程的优点和特性
进程间并发，开销很大

当切换进程时，需要保存 / 恢复进程运行环境，还需要切换内存地址空间（更新快表、更新缓存）
线程间并发，开销更小

同一进程内的各个线程间并发，不需要切换进程运行环境和内存地址空间，省时省力
引入线程机制后，并发带来的系统开销降低，系统并发性提升
 

注意：从属于不同进程的线程间通信，也必须请求操作系统服务！

引入线程前，进程既是资源分配的基本单位，也是调度的基本单位。

引入线程后，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位。线程也有运行态、就绪态、阻塞态

在多CPU环境下，各个线程也可以分派到不同的CPU上并行地执行。

线程几乎不拥有资源，只拥有极少量的资源（线程控制块TCB、寄存器信息、堆栈等）

小结

 线程的实现方式多线程模型

知识总览

 

三、处理机的调度