操作系統-第二章(上)

2.1. 進程的概念

2.1.1. 程序順序執行的特徵

• 順序程序設計：一個作業完成了，後一作業才能進入內存，並得以執行。各個作業的程序都是一個語句一個語句的按順序構成。
• 特點（3個）：
• ①順序性：上一個動作結束之後纔開始
• ②封閉性：只有程序本身可以的動作才能改變程序的運行環境
• ③可在現性：程序的執行結果與程序運行結果的速度無關。

2.1.2. 程序併發執行的特徵

• 多道程序設計：併發執行，提高系統資源利用率和增加作業吞吐量（作業吞吐量：指在給定時間間隔內所完成作業的數量 ）
• 特點（3個）
• ①失去封閉性：資源的使用狀態受到併發程序的共同影響；
• ②程序與計算不再一一對應；
• ③併發程序在執行期間相互制約；

2.1.3. 進程的概念

• 進程： 具有獨立功能的程序關於某個數據集合上的一次運行活動，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位（進程定義爲：程序在併發環境中的執行過程）；
• 進程特徵（5個）
• 1. 動態性：進程是程序的執行過程，可以處於多種不同狀態
• 2. 併發性；
• 3. 調度性：進程是申請資源的單位，也是被調度的單位；
• 4. 異步性；
• 5. 結構性：進程由程序段、數據段和控制結構等組成；

2.2. 進程狀態描述及組織方式

2.2.1. 進程的狀態（3個）

1. 運行態：指當前進程已分配到CPU，他的程序正在處理機執行時的狀態（不能大於CPU的個數）；
2. 就緒態：指進程已具備運行條件，但因爲其他進程佔用了CPU，所以它暫時不能運行而等待分配CPU的狀態；
3. 阻塞態：指進程因等待某種事件發生而暫時不能運行的狀態；

進程狀態的轉換：

1. 就緒-》運行

• 分配到了CPU，因此改變狀態；

2. 運行-》阻塞

• 正在運行的進程因某種條件不滿足而放棄對CPU的佔用；

3. 阻塞-就緒

• 處於阻塞狀態的進程所等待的事件發生了，如讀數據的操作完成；

4. 運行-》就緒

• 正在運行的進程用完了本次分配給它的CPU時間片；

  進程狀態轉換圖
  

2.2.2 進程的組成

1.進程映像：由程序、數據集合、棧和PCB（進程控制塊） 四部分組成；

• PCB進程控制塊：描述進程的當前狀態、本身特性，對資源的佔用及調度信息等；

2.進程控制塊的組成

• 進程名：它是唯一的標誌對應進程的一個標識符或數字；
• 特徵信息：
• 進程狀態信息；
• 調度優先權：進程獲取CPU的優先級別；
• 通信信息；
• 現場保護區；
• 資源需求、分配和控制方面的信息；
• 進程實體信息：
• 族系關係：反映父子進程的隸屬關係；
• 其他信息：如文件信息，工作單元等。

3. 進程控制塊的作用： 進程控制塊時進程映像中最關鍵的部分，每個進程都有唯一的程序控制塊；

• 注意：PCB是進程存在的唯一標誌；

2.2.3進程組織方式（三種）

1. 線性方式：

• 操作系統預先確定整個系統中同時存在的進程的最大數目，然後靜態分佈空間，把所有進程的PCB都放進整個表中；
• • 缺點：限定同時存在進程的最大數目，無法 創建新的進程，要對整個表掃描，降低了調度效率；
    

2. 鏈接方式：

• 按照進程的不同狀態分別放在不同的隊列中（單CPU狀態下）；
• • 運行狀態只能一個，指針指向它的PCB；
• • 處於就緒態排成一個隊列，就緒隊列指針指向該隊列的第一個PCB，最後一個PCB的拉鍊指針置爲0，表示結尾（先進先出策略）；
• • 阻塞隊列可以有多個，當滿足某個等待條件時，把對應阻塞隊列上的PCB送到就緒隊列中。
    -

3. 索引方式：

• 利用索引表記載相應狀態進程的PCB地址，狀態相同的進程的PCB組織在同一個索引表中，每個索引表的表目中存放該PCB的地址。
• 各索引表在內存的起始地址放在專用的指針單元中。

2.3進程管理和有關命令

2.3.1 進程圖和進程管理

1.進程圖：

• 衆多進程的族系關係：由父進程創建子進程，子進程在創建子進程，如此下去，從而構成一棵樹形的進程族系圖。
  

2.進程創建

• 一個進程可以動態創建新進程，前者爲父進程，後者爲子進程；

引發事件： ①：調度新的作業；②：交互式用戶登錄；③：操作系統提供服務；④：現有進程派生新進程

創建新進程要執行創建進程的系統調用：

1. 申請一個空閒的PCB；（從系統的PCB表種找出一個空閒的PCB項，並指定一個唯一的進程標誌號PID(進程內部名)）。
2. 分配資源給新進程。
3. 初始化新進程的PCB；
4. 將新進程加到就緒隊列中；

一個進程派生新進程之後的可能執行方式：

1. 父進程和子進程同時（併發）執行。
2. 父進程等待它的某個或者全部子進程終止。

建立子進程的地址空間有兩種方式：

1. 子進程複製父進程的地址空間；
2. 把程序裝入子進程的地址空間。

3.進程終止

1. 從系統的PCB表中找到指定的進程的PCB。若處於運行狀態，則立即終止該進程的運行；
2. 回收該進程所佔用的全部資源。
3. 若該進程還有子孫進程，則還要終止其所有子孫進程，回收它們所佔有的全部資源。
4. 釋放被終止進程的PCB，並從原來隊列中摘走。

4.進程阻塞

1. 立即停止當前進程的執行。
2. 將現行進程的CPU現場送到該進程的PCB現場保護區中保存起來，以便將來重新運行時回覆此時的現場；
3. 把該進程PCB中的現行狀態由運行改爲阻塞狀態，把它插入具有相同事件的阻塞隊列中。
4. 轉到進程調度程序，重新從就緒隊列中挑選一個合適的進程投入運行；

5.進程喚醒

1. 首先把被阻塞進程從相應的阻塞隊列中摘走；
2. 將現行狀態改爲就緒狀態，然後把該進程插入到就緒隊列中；
3. 如果被喚醒進程比運行進程的優先級更高，則設置重新調度標誌。

6. 進程映像的更換

1. 釋放子進程原來的程序和數據所佔有的內存空間；
2. 從磁盤上找出子進程所要執行的程序和數據；
3. 分配內存空間，裝入新的程序和數據；
4. 爲子進程建立初始的運行環境—主要對各個寄存器初始化，返回到用戶態，運行該進程的程序；

2.3.2 Linux進程管理

1.Linux進程狀態：

1. 運行態；
2. 可中斷等待下狀態（淺度睡眠）；
3. 不可中斷等待狀態（深度睡眠）；
4. 停止態；
5. 僵死態；
   

2.進程的模式和類型

• 執行模式分爲：用戶模式和內核模式
• 用戶模式：運行用戶程序，應用程序或內核之外的系統程序；
• 內核模式：出現系統調用或者發生中斷事件，運行系統（核心）程序；
  

2.4線程概念

• 線程是進程中執行運算的最小單位，也是執行處理機調度的基本單位
• 一個進程可以包含一個或多個線程;

2.4.1線程的組成和狀態

• 線程的組成： 每個進程都有一個thread結構，及程序控制塊，用於保存自己私有的信息；

1. 一個唯一的線程標識符（PID）；
2. 描述處理器工作情況的一組寄存器的內容；
3. 每個thread結構有兩個棧指針,一個指向核心棧,一個指向用戶棧;
4. 一個私有存儲區,存放現場保護信息和其他與線程相關的統計信息;

• 線程的狀態:

5. 運行狀態;
6. 就緒狀態;
7. 阻塞狀態;
8. 終止狀態: 當一個線程完成任務後,它佔用的寄存器和棧等私有資源會被系統回收,並重新分配給另外的線程;

2.4.2 線程的實現方式------用戶級線程和核心級線程

1. 用戶級線程: 在用戶空間實現;

優點:

• 切換速度快；
• 調度算法可專用 ；
• 可運行在任何操作系統上

缺點:

• 阻塞問題；
• 多處理器利用問題

2. 核心級線程: 在覈心空間實現;

優點:

• 真正實現並行操作
• 克服阻塞問題
• 本身也可以是多線程的

缺點:

• 控制轉移開銷大
• 調度算法由核心確定，應用進程無法影響線程的切換

2.5 進程間的同步與互斥

2.5.1 進程間的三種關係

1.同步

• 同步進程通過共享資源來協調活動，在執行時間的次序上有一定約束。如:SPOOLing系統;

2.互斥

• 進程爭用某些資源 ,由於競爭同一個物理資源而相互制約

3.通信

• 各個進程通過名字彼此之間進行通信;

2.5.2競爭條件和臨界區

競爭條件: 兩個或多個進程同時訪問和操縱相同的數據時,最後的執行結果取決於進程運行的精確時序;

• 要避免競爭條件：禁止兩個或兩個以上的進程的同時進入臨界區；

臨界資源： 共享資源都有一個特徵，一次僅允許一個進程使用；

臨界區： ：每個進程中訪問臨界資源的那段程序，簡稱CS區

進入臨界區要遵循的準則：

1. 任何兩個進不能同時處於其臨界區；
2. 進程運行的速度具有不確定性；
3. 應保證進入臨界區的進程能不受干擾的運行；
4. 不得使進程無限期等待進入臨界區；