王道操作系统___第二章01

2.1_1_进程的定义、组成、组织方式、特征

进程的定义

• 程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体。一般情况下，我们把进程实体简称为进程。
• 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。
• 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。

进程的组成

• 程序代码存放在程序段。程序运行时使用、产生的运算数据存放在数据段
• 操作系统通过PCB来管理进程，因此PCB中应该包含操作系统对其管理所需的各种信息。
  • 进程描述信息：进程标识符PID，用户标识符UID。
  • 进程控制和管理信息：进程当前的状态，进程优先级
  • 资源分配清单：程序段指针，数据段指针，键盘，鼠标
  • 处理机相关信息：各种寄存器值

进程的组织

• 连接方式
  • 按照进程状态将PCB分为多个队列：执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针
  • 操作系统持有指向各个队列的指针
• 索引方式
  • 根据进程状态的不同，建立几张索引表。
  • 操作系统持有指向各个索引表的指针 。

进程的特征

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态的产生变化和消亡的
• 并发性：内存中有多个进程实体，各个进程可并发的执行。
• 独立性：进程是能独立运行，独立获得资源，独立接受调度的基本单位。
• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。操作系统要提供进程同步机制来解决异步问题。
• 结构性：每个进程都会配置一个PCB，结构上看进程有程序段、数据段、PCB组成。

2.1_2_进程的状态与转换

进程的三种基本状态

• 运行态：占用CPU，并在CPU上运行
• 就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
• 阻塞态：因等待某一事件而不能运行

进程的另外两种状态

• 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
• 终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB

进程状态的转化

• 创建态—就绪态：系统完成创建进程的一系列工作
• 就绪态—运行态：进程被调度
• 运行态—就绪态：时间片到，或处理机被抢占
• 运行态—终止态：进程运行结束，或运行过程中遇到不可修复的错误
• 运行态—阻塞态：进程用系统调用的方式申请某种系统资源，或者请求等待某个事件的发生(主动行为)
• 阻塞态—就绪态：申请的资源被分配，或等待的事件发生(被动行为)

2.1_3_进程控制

• 进程控制就是要实现进程状态转换
• 用原语实现进程控制，原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成，不可被中断的操作被称为原子操作。
• 原语采用关中断指令和开中断指令实现。原语运行在核心态。
• 关/开中断指令的权限非常大，必然是只允许在核心态下执行的特权指令。

原语要做的三件事情

• 更新PCB中信息(修改进程状态标志，将运行环境保存到PCB，从PCB恢复运行环境)
• 将PCB插入合适的队列
• 分配/回收资源

进程的创建

• 创建原语：无—创建态—就绪态
  • 申请空白PCB
  • 为新进程分配所需资源
  • 初始化PCB
  • 将PCB插入就绪队列
• 引起进程创建的事件
  • 用户登录：分时系统中，用户登录成果，系统会为其建立一个新的进程
  • 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
  • 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求
  • 应用请求：由用户进程主动创建一个子进程

进程的终止

• 撤销原语：就绪态/阻塞态/运行态—终止态—无

  • 从PCB集合中找到终止进程的PCB
  • 若进程正在运行，立即剥夺PCB，将CPU分配给其他进程
  • 终止所有子进程
  • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
  • 删除PCB

• 引起进程终止的事件：正常结束、异常结束、外界干预。

进程的阻塞和唤醒

• 进程的阻塞：
  • 阻塞原语：
    • 找到要阻塞的进程对应的PCB
    • 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为阻塞态，暂时停止进程的运行
    • 将PCB插入相应事件的等待队列
  • 引起进程阻塞的事件
    • 需要等待系统分配某种资源
    • 需要等待相互合作的其他进程完成工作
• 进程的唤醒：
  • 唤醒原语：
    • 在事件等待队列中找到PCB
    • 将PCB从等待队列中移除，设置进程为就绪态
    • 将PCB插入就绪队列，等待被调度
  • 引起进程唤醒的事件：等待的事件发生

进程的切换

• 切换原语
  • 将运行环境信息存入PCB
  • PCB移入相应队列
  • 选择另一个进程执行，并更新其PCB
  • 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
• 引起进程切换到事件
  • 当前进程时间片到
  • 有更高优先级的进程到达
  • 当前进程主动阻塞
  • 当前进程终止

2.1_4_进程通信

• 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。

• 进程通信：共享存储，消息传递，管道通信

• 共享存储：两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具(如PV操作)

  • 基于数据结构的共享
  • 基于存储区的共享

• 管道通信：用于连续读写进程的一个共享文件，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，各个进程互斥访问管道。
  • 数据以字节流的形式写入管道，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。
  • 如果没写满，就不允许读，如果没读空，就不允许写。
  • 数据一旦被读走就从管道中被抛弃，意味着读进程最多只有一个。

• 消息传递：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

  • 进程间的数据交换以格式化的消息为单位。消息：消息头、消息体。
  • 消息传递的方式：直接通信方式，间接通信方式。

2.1_5_线程概念和多线程模型

• 引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位，是一个基本的CPU执行单位。
• 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元。线程是调度的基本单位。

线程的属性

• 线程是处理机调度的单位
• 多CPU计算机中，各个线程可以占用不同的CPU
• 每个线程都有一个线程ID，线程控制块。
• 线程也有就绪，阻塞，运行三种基本状态
• 线程几乎不拥有系统资源
• 同一进程的不同线程间共享进程的资源
• 由于共享内存的地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
• 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
• 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
• 切换同进程内的线程，系统开销很小
• 切换进程，系统开销大。

线程的实现方式

• 用户级线程：由应用程序通过线程库来实现，所有的线程管理工作，都由应用程序负责。
• 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统的干预。
• 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。
• 用户级线程就是从用户视角看能看到的线程。
• 内核级线程：管理工作由操作系统内核完成，线程调度，切换等工作都由内核负责，因此内核级线程切换必然需要在核心态下才能完成。
• 内核级线程就是从操作系统内核视角看能看到的线程。因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

多线程模型

• 由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了多线程模型
• 多对一模型
  • 优点：进程管理开销小效率高
  • 缺点：一个线程阻塞会导致整个进程都被阻塞，并发度低
• 一对一模型
  • 优点：进程管理开销大
  • 缺点：各个线程可分配到多核处理机并行执行，并发度高。
• 多对多模型：集二者之所长。