操作系統(tǒng)第二章--進(jìn)程的描述與控制

前趨圖和程序執(zhí)行

• • 前趨圖
    • 前趨圖是一個(gè)有向無循環(huán)圖DAG，用來描述進(jìn)程之間執(zhí)行的前后關(guān)系
    • 初始結(jié)點(diǎn)：沒有前趨的結(jié)點(diǎn)
    • 終止結(jié)點(diǎn)：沒有后繼的結(jié)點(diǎn)
    • 重量：表示該結(jié)點(diǎn)所含有的程序量或結(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間
  • 程序執(zhí)行
    • 順序執(zhí)行
      • 順序性
      • 封閉性：程序運(yùn)行時(shí)獨(dú)占全機(jī)資源
      • 可再現(xiàn)性
    • 并發(fā)執(zhí)行
      • 間斷性
      • 失去封閉性
      • 不可再現(xiàn)性

進(jìn)程的描述

• • 進(jìn)程的定義和特征
    • 進(jìn)程定義
      • 進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行
      • 進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時(shí)發(fā)生的活動(dòng)
      • 進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位
    • 進(jìn)程結(jié)構(gòu)
      • 進(jìn)程控制塊PCB：使程序能獨(dú)立運(yùn)行
      • 程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段、PCB
    • 進(jìn)程特征
      • 動(dòng)態(tài)性：它由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，由撤銷而消亡
      • 程序是指令集是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的
      • 并發(fā)性：多個(gè)進(jìn)程實(shí)體在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)進(jìn)行
      • 獨(dú)立性：進(jìn)程實(shí)體是獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立分配資源和獨(dú)立接受調(diào)度的基本單位
      • 異步性：各進(jìn)程獨(dú)立、異步（速度不一致）地運(yùn)行

• • 進(jìn)程的基本狀態(tài)和轉(zhuǎn)換
    • 基本狀態(tài)
      • 就緒狀態(tài)：萬事俱備，只差CPU資源
      • 執(zhí)行狀態(tài)：獲得CPU資源，正在執(zhí)行
      • 阻塞狀態(tài)：由于突發(fā)事件，進(jìn)程放棄處理機(jī)而處于暫停狀態(tài)
    • 轉(zhuǎn)換
      • 進(jìn)程調(diào)度：就緒態(tài)-->運(yùn)行態(tài)
      • 被高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占或超時(shí)：運(yùn)行態(tài)-->就緒態(tài)
      • I/O請(qǐng)求：運(yùn)行態(tài)-->阻塞態(tài)
      • I/O完成：阻塞態(tài)-->就緒態(tài)
  • 掛起操作
    • 執(zhí)行的進(jìn)程暫停下來，處于靜止?fàn)顟B(tài)

• • 進(jìn)程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
    • 進(jìn)程控制塊的作用PCB
      • 獨(dú)立運(yùn)行基本單位的標(biāo)志
      • 間斷性運(yùn)行：保護(hù)CPU現(xiàn)場(chǎng)
      • 進(jìn)程管理：OS通過CPU對(duì)進(jìn)程實(shí)施控制和管理
      • 進(jìn)程調(diào)度：提供進(jìn)程狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)等信息
      • 進(jìn)程同步與通信：消息隊(duì)列指針，信號(hào)量
    • 進(jìn)程控制塊的內(nèi)容
      • 進(jìn)程標(biāo)識(shí)符：唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程
        • 內(nèi)部標(biāo)識(shí)符：Pid
        • 外部標(biāo)識(shí)符：進(jìn)程的名字
      • 處理機(jī)狀態(tài)：由各種寄存器內(nèi)容構(gòu)成
        • 通用寄存器
        • 指令計(jì)數(shù)器PC
        • 程序狀態(tài)字PSW
        • 用戶棧指針SP
      • 當(dāng)進(jìn)程切換時(shí)需要把當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)的內(nèi)容保存在進(jìn)程控制塊中

• • • • 進(jìn)程調(diào)度信息
        • 進(jìn)程狀態(tài)：sched.h定義了6個(gè)進(jìn)程狀態(tài)
        • 可運(yùn)行狀態(tài)
        • 可中斷阻塞狀態(tài)
        • 不可中斷阻塞狀態(tài)
        • 僵死狀態(tài)
        • 暫停態(tài)
        • 交換態(tài)
        • 進(jìn)程優(yōu)先級(jí)
        • 其他信息：進(jìn)程已執(zhí)行時(shí)間
        • 事件：阻塞原因
      • 進(jìn)程控制信息
        • 程序和數(shù)據(jù)地址：基地址
        • 進(jìn)程同步和通信機(jī)制
        • 資源清單
        • 鏈接指針
    • 進(jìn)程控制塊的組織方式
      • 鏈接方式：指針指向PCB地址
      • 索引方式：通過不同狀態(tài)的索引表指向PCB地址
      • 多級(jí)隊(duì)列：按照不同狀態(tài)組織PCB隊(duì)列，同一狀態(tài)按照優(yōu)先級(jí)鏈接

進(jìn)程控制

• • 原語：由若干條指令組成，用于完成一定功能
    • 是原子操作，一個(gè)操作中的所有動(dòng)作要么不做，要么全做
  • 進(jìn)程的創(chuàng)建
    • 進(jìn)程圖：描述一個(gè)進(jìn)程的家族關(guān)系的有向圖
      • 子進(jìn)程可以繼承父進(jìn)程所擁有的資源
      • 當(dāng)子進(jìn)程被撤銷時(shí)，應(yīng)將其從父進(jìn)程那里獲得的資源歸還給父進(jìn)程
      • 在撤銷父進(jìn)程時(shí)，也必須同時(shí)撤銷其所有的子進(jìn)程
    • 引導(dǎo)進(jìn)程創(chuàng)建另一個(gè)進(jìn)程的事件
      • 用戶登錄
      • 作業(yè)調(diào)度
      • 提供服務(wù)
      • 應(yīng)用請(qǐng)求
    • 進(jìn)程創(chuàng)建 fork（）函數(shù)
      • 申請(qǐng)空白PCB
      • 為新進(jìn)程分配資源
      • 初始化進(jìn)程控制塊
      • 將進(jìn)程插入就緒隊(duì)列，啟動(dòng)調(diào)度
  • 進(jìn)程終止 exit（）函數(shù)
    • 根據(jù)被終止進(jìn)程的PID，找到PCB，讀取進(jìn)程狀態(tài)
    • 若處于執(zhí)行狀態(tài)，則終止執(zhí)行，重新調(diào)度
    • 若有子孫進(jìn)程，則終止所有子孫進(jìn)程
    • 歸還所有資源給父進(jìn)程或系統(tǒng)
    • 從所在隊(duì)列移除終止進(jìn)程PCB
  • 進(jìn)程的阻塞與喚醒
    • 阻塞過程 block
      • 調(diào)用阻塞原語block把自己阻塞
      • 狀態(tài)由執(zhí)行改為阻塞，將PCB插入阻塞隊(duì)列
      • 重新調(diào)度，將處理機(jī)分配給另一就緒進(jìn)程
    • 喚醒過程 wakeup
      • 從阻塞隊(duì)列中移除
      • 狀態(tài)由阻塞改為就緒
      • PCB插入到就緒隊(duì)列
  • 進(jìn)程的掛起與激活
    • 掛起原語 suspend
      • 檢查被掛起進(jìn)程的狀態(tài)
        • 活動(dòng)就緒：靜止就緒
        • 活動(dòng)阻塞：靜止阻塞
      • PCB復(fù)制到指定區(qū)域
    • 激活原語 active
      • 檢查激活進(jìn)程的狀態(tài)
        • 靜止就緒：活動(dòng)就緒
        • 靜止阻塞：活動(dòng)阻塞

進(jìn)程的同步

• • 進(jìn)程同步的基本概念
    • 臨界資源：互斥使用的資源
    • 臨界區(qū)：訪問臨界資源的那段代碼
  • 信號(hào)量機(jī)制
    • 按照功能分為
      • 互斥信號(hào)量：0或1
      • 資源信號(hào)量：數(shù)字表示資源的可用個(gè)數(shù)
    • 按照機(jī)制分為
      • 整型信號(hào)量：定義一個(gè)整型量，wait、signal，P、V操作
      • 記錄型信號(hào)量：不存在忙等現(xiàn)象
      • AND型信號(hào)量：同步機(jī)制，原子操作
      • 信號(hào)量集：分配多個(gè)資源
  • 管程機(jī)制

經(jīng)典進(jìn)程的同步問題

• • 生產(chǎn)者/消費(fèi)者問題
    • 生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程共享一個(gè)大小固定的緩沖區(qū)n
    • 分別設(shè)置兩個(gè)指針in和out
      • in指向生產(chǎn)者將存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元
      • out指向消費(fèi)者將取出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元
    • 創(chuàng)建信號(hào)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者進(jìn)程的同步
      • 互斥信號(hào)量mutex：進(jìn)程對(duì)緩沖池互斥使用
      • 資源信號(hào)量empty：空緩沖區(qū)的數(shù)量
      • 資源信號(hào)量full：滿緩沖區(qū)的數(shù)量
  • 讀者/寫者問題
    • 允許多個(gè)讀者進(jìn)程可以同時(shí)讀數(shù)據(jù)
    • 寫者進(jìn)程互斥寫數(shù)據(jù)
    • 若有寫者進(jìn)程正在寫數(shù)據(jù)，則不允許讀者進(jìn)程讀數(shù)據(jù)
    • 讀者優(yōu)先：只有當(dāng)全部讀者退出，才允許寫者進(jìn)入寫數(shù)據(jù)
  • 哲學(xué)家進(jìn)餐問題
    • 記錄型信號(hào)量：wait、signal考慮左筷子和右筷子（可能存在死鎖）
    • AND信號(hào)量：Sswait、Ssignat

進(jìn)程通信

• • 進(jìn)程通信的類型
    • 共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)
      • 基于共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式
      • 基于共享存儲(chǔ)區(qū)的通信方式
    • 管道Pipe通信
      • 用于連接讀寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)通信的共享文件
    • 消息傳遞方式
      • 直接通信：利用OS提供的發(fā)送命令Send、Receive
      • 間接通信
        • 信箱：通過中間實(shí)體（如共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）
        • 消息隊(duì)列：msgsnd、msgrcv、msgget

線程VS進(jìn)程

• • 調(diào)度：線程是調(diào)度分配的基本單位，進(jìn)程是擁有資源的基本單位
  • 并發(fā)性：線程并發(fā)執(zhí)行效率更高
  • 擁有資源：線程僅有少量資源來完成運(yùn)行需求，不擁有系統(tǒng)資源
  • 獨(dú)立性：線程獨(dú)立性更低
  • 系統(tǒng)開銷：切換線程系統(tǒng)開銷低

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的模拟进程创建、终止、阻塞、唤醒原语_操作系统第二章--进程的描述与控制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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