操作系統3——進程的描述與控制

操作系統3——進程的描述與控制

——2018.12.10

零、目標

• 進程的定義和特徵
• 進程的基本狀態及轉換
• 進程控制塊
• 內核、原語
• 臨界資源、臨界區
• 同步機制應遵循的規則
• 記錄型信號量、利用記錄型信號量解決生產者

一、進程的描述

1. 進程的概念

1. 進程的定義：是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。
2. 進程的特徵：動態性、併發性、獨立性、異步性
3. PCB 描述和控制進程運行，系統爲每個進程定義的一個數據結構

• 程序的代碼和數據、CPU寄存器的數值、堆和棧
• 系統資源
• 地址空間
• 打開的文件

2.進程的狀態

1. 就緒（Ready）狀態

• 可運行，已獲得除CUP外的所需資源，等待分配CPU

2. 執行（Running）狀態

• 佔用CPU運行，處於此狀態的進程數目=CPU的數目

3. 阻塞（Blocked）狀態

• 等待某種條件（如I/O）操作或進程同步，在滿足條件前無法執行

3.進程的管理

1. 引起進程創建的原因：

• 用戶登錄：爲終端用戶建立進程
• 作業調度：選中的作業建立進程
• 提供服務：爲用戶提供的服務進程
• 應用請求：應用程序自己創建的進程

2. 原語：由若干條指令構成，用於完成一定功能的一個過程
3. 原子操作：一個操作中的所有動作，要麼全做，要麼全不做，是一個不可分割的操作。
4. 進程控制塊的組織方式

• 鏈接方式：把具有同一狀態的PCB，用其中的鏈接字鏈接成一個隊列
• 索引方式：系統根據所有進程的狀態建立幾張索引表

二、線程的描述

1.線程的概念

1. 線程的定義：

• 將進程的兩個屬性分開，作爲調度和分派的基本單位，不同時作爲資源的擁有者，就形成了線程的概念
• 線程：有時稱輕量級進程，進程中的一個運行實體，是一個CPU調度單位，資源的擁有者還是進程或稱任務
• 一個被調度和分派的基本單位並可獨立運行的實體

2. 線程的分類

• 內核支持線程：依賴內核進行控制和管理
• 用戶級線程：在用戶級創建、撤銷和切換

3. 在引入線程的OS系統中，則把線程作爲調度和分派的基本單位，而把進程作爲資源的擁有基本單位。
4. 在同一進程中的線程切換不會引起進程切換
5. 在不同一進程中的線程切換會引起進程切換

三、進程同步

1.相關的概念

1. 互斥——間接相互制約關係

• 同處於一個系統中的進程必然共享某種資源，如CPU、I/O設備等，間接相互制約即源於共享資源

2. 同步——直接相互制約關係

• 源於進程進程之間的合作關係，如進程A向B提供數據，當輸入緩衝空時，B不能得到數據而阻塞

3. 臨界資源

• 一次僅允許一個進程使用的資源
• 系統中的許多硬件，如打印機，諸進程之間只能用互斥的方式進行訪問

4. 臨界區

• 在每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱爲臨界區

2.同步機制應遵循的原則

1. 空閒讓進

• 當無進程處於臨界區時，應允許一個進程進入臨界區

2. 忙則等待

• 當已有進程進入臨界區時，其他進程必須等待

3. 有限等待

• 應保證在有限時間內進入自己的臨界區，防止“死等”

4. 讓權等待

• 應立即釋放處理機，防止“忙等”

3.互斥與同步的解決方法：

1. 軟件方法

• 由進程通過執行相應的程序指令，實現與其他進程的互斥與同步

2. 硬件方法

• 通過屏蔽中斷（單CPU）或是採用專門的機器指令控制互斥與同步

3. 信號量方法

• 經典信號量——表示資源的物理實體
• 記錄型信號量——更有效地利用資源，解決忙等的問題

typedef struct{
	int value;
	struct process_control_block *list;
}semaphore;
wait(semaphore *S){
	S->value--;//請求一個該類資源
	if(S->value<0) block(S->list);//該類資源已分配完畢，調用block原語進行自我阻塞並放棄處理機、插入到信號量列表S->list中
}
signal(semaphore *S){
	S->value++;//釋放一個資源
	if(S->value<=0) wakeup(S->list);//有進程被阻塞
}

• AND型信號量機制——防止系統出現不安全性

4. 管程方法

• 管程：⼀個管程定義了⼀個數據結構和能爲併發進程所執⾏的⼀組操作，這組操作能同步進程和改變管程中的數據

四、經典進程的同步問題

1 .利用記錄型信號量解決生產者-消費者問題

問題描述:
有一羣生產者進程在生產產品，並將這些產品提供給消費者進程去消費。爲使生產者進程與消費者進程能併發執行，在兩者之間設置了- -個具有n個緩衝區的緩衝池,生產者進程將它所生產的產品放入一個緩衝區中;消費者進程可從一個緩衝區中取走產品去消費。

int in = 0, out = 0;//in: 輸入指針, out: 輸出指針;
item buffer[n];//n個緩衝區組成的數組;
semaphore mutex = 1, full = 0, empty = n;
//mutex: 互斥信號量, 生產者進程和消費者進程都只能互斥訪問緩衝區;
//full: 資源信號量, 滿緩衝區的數量;
//empty: 資源信號量, 空緩衝區的數量;//信號量不允許直接參與運算, 故都要定義;

//生產者程序;
void producer() {
  do {
      producer an item nextp;//生產者生產一個產品
      ...
      wait(empty);//申請一個空緩衝區;
      wait(mutex);//申請臨界資源;
      buffer[in] = nextp;//將產品添加到緩衝區;
      in = (in + 1) % n;//類似於循環隊列;
      signal(mutex);//釋放臨界資源;
      signal(full);//釋放一個滿緩衝區;
  } while (TRUE);
}

//消費者程序;
void consumer() {
  do {
      wait(full);//申請一個滿緩衝區;
      wait(mutex);//申請臨界資源;
      nextc = buffer[out];//將產品從緩衝區取出;
      out = (out + 1) % n;//類似於循環隊列;
      signal(mutex);//釋放臨界資源;
      signal(empty);//釋放一個空緩衝區;
      consumer the item in nextc//消費者將一個產品nextc消費; 
 } while (TRUE);
}
void main(){
	cobegin
		producer(); consumer();
	coend
}