操作系统-第二章(上)

2.1. 进程的概念

2.1.1. 程序顺序执行的特征

• 顺序程序设计：一个作业完成了，后一作业才能进入内存，并得以执行。各个作业的程序都是一个语句一个语句的按顺序构成。
• 特点（3个）：
• ①顺序性：上一个动作结束之后才开始
• ②封闭性：只有程序本身可以的动作才能改变程序的运行环境
• ③可在现性：程序的执行结果与程序运行结果的速度无关。

2.1.2. 程序并发执行的特征

• 多道程序设计：并发执行，提高系统资源利用率和增加作业吞吐量（作业吞吐量：指在给定时间间隔内所完成作业的数量 ）
• 特点（3个）
• ①失去封闭性：资源的使用状态受到并发程序的共同影响；
• ②程序与计算不再一一对应；
• ③并发程序在执行期间相互制约；

2.1.3. 进程的概念

• 进程： 具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位（进程定义为：程序在并发环境中的执行过程）；
• 进程特征（5个）
• 1. 动态性：进程是程序的执行过程，可以处于多种不同状态
• 2. 并发性；
• 3. 调度性：进程是申请资源的单位，也是被调度的单位；
• 4. 异步性；
• 5. 结构性：进程由程序段、数据段和控制结构等组成；

2.2. 进程状态描述及组织方式

2.2.1. 进程的状态（3个）

1. 运行态：指当前进程已分配到CPU，他的程序正在处理机执行时的状态（不能大于CPU的个数）；
2. 就绪态：指进程已具备运行条件，但因为其他进程占用了CPU，所以它暂时不能运行而等待分配CPU的状态；
3. 阻塞态：指进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态；

进程状态的转换：

1. 就绪-》运行

• 分配到了CPU，因此改变状态；

2. 运行-》阻塞

• 正在运行的进程因某种条件不满足而放弃对CPU的占用；

3. 阻塞-就绪

• 处于阻塞状态的进程所等待的事件发生了，如读数据的操作完成；

4. 运行-》就绪

• 正在运行的进程用完了本次分配给它的CPU时间片；

  进程状态转换图
  

2.2.2 进程的组成

1.进程映像：由程序、数据集合、栈和PCB（进程控制块） 四部分组成；

• PCB进程控制块：描述进程的当前状态、本身特性，对资源的占用及调度信息等；

2.进程控制块的组成

• 进程名：它是唯一的标志对应进程的一个标识符或数字；
• 特征信息：
• 进程状态信息；
• 调度优先权：进程获取CPU的优先级别；
• 通信信息；
• 现场保护区；
• 资源需求、分配和控制方面的信息；
• 进程实体信息：
• 族系关系：反映父子进程的隶属关系；
• 其他信息：如文件信息，工作单元等。

3. 进程控制块的作用： 进程控制块时进程映像中最关键的部分，每个进程都有唯一的程序控制块；

• 注意：PCB是进程存在的唯一标志；

2.2.3进程组织方式（三种）

1. 线性方式：

• 操作系统预先确定整个系统中同时存在的进程的最大数目，然后静态分布空间，把所有进程的PCB都放进整个表中；
• • 缺点：限定同时存在进程的最大数目，无法 创建新的进程，要对整个表扫描，降低了调度效率；
    

2. 链接方式：

• 按照进程的不同状态分别放在不同的队列中（单CPU状态下）；
• • 运行状态只能一个，指针指向它的PCB；
• • 处于就绪态排成一个队列，就绪队列指针指向该队列的第一个PCB，最后一个PCB的拉链指针置为0，表示结尾（先进先出策略）；
• • 阻塞队列可以有多个，当满足某个等待条件时，把对应阻塞队列上的PCB送到就绪队列中。
    -

3. 索引方式：

• 利用索引表记载相应状态进程的PCB地址，状态相同的进程的PCB组织在同一个索引表中，每个索引表的表目中存放该PCB的地址。
• 各索引表在内存的起始地址放在专用的指针单元中。
• 

2.3进程管理和有关命令

2.3.1 进程图和进程管理

1.进程图：

• 众多进程的族系关系：由父进程创建子进程，子进程在创建子进程，如此下去，从而构成一棵树形的进程族系图。
  

2.进程创建

• 一个进程可以动态创建新进程，前者为父进程，后者为子进程；

引发事件： ①：调度新的作业；②：交互式用户登录；③：操作系统提供服务；④：现有进程派生新进程

创建新进程要执行创建进程的系统调用：

1. 申请一个空闲的PCB；（从系统的PCB表种找出一个空闲的PCB项，并指定一个唯一的进程标志号PID(进程内部名)）。
2. 分配资源给新进程。
3. 初始化新进程的PCB；
4. 将新进程加到就绪队列中；

一个进程派生新进程之后的可能执行方式：

1. 父进程和子进程同时（并发）执行。
2. 父进程等待它的某个或者全部子进程终止。

建立子进程的地址空间有两种方式：

1. 子进程复制父进程的地址空间；
2. 把程序装入子进程的地址空间。

3.进程终止

1. 从系统的PCB表中找到指定的进程的PCB。若处于运行状态，则立即终止该进程的运行；
2. 回收该进程所占用的全部资源。
3. 若该进程还有子孙进程，则还要终止其所有子孙进程，回收它们所占有的全部资源。
4. 释放被终止进程的PCB，并从原来队列中摘走。

4.进程阻塞

1. 立即停止当前进程的执行。
2. 将现行进程的CPU现场送到该进程的PCB现场保护区中保存起来，以便将来重新运行时回复此时的现场；
3. 把该进程PCB中的现行状态由运行改为阻塞状态，把它插入具有相同事件的阻塞队列中。
4. 转到进程调度程序，重新从就绪队列中挑选一个合适的进程投入运行；

5.进程唤醒

1. 首先把被阻塞进程从相应的阻塞队列中摘走；
2. 将现行状态改为就绪状态，然后把该进程插入到就绪队列中；
3. 如果被唤醒进程比运行进程的优先级更高，则设置重新调度标志。

6. 进程映像的更换

1. 释放子进程原来的程序和数据所占有的内存空间；
2. 从磁盘上找出子进程所要执行的程序和数据；
3. 分配内存空间，装入新的程序和数据；
4. 为子进程建立初始的运行环境—主要对各个寄存器初始化，返回到用户态，运行该进程的程序；

2.3.2 Linux进程管理

1.Linux进程状态：

1. 运行态；
2. 可中断等待下状态（浅度睡眠）；
3. 不可中断等待状态（深度睡眠）；
4. 停止态；
5. 僵死态；
   

2.进程的模式和类型

• 执行模式分为：用户模式和内核模式
• 用户模式：运行用户程序，应用程序或内核之外的系统程序；
• 内核模式：出现系统调用或者发生中断事件，运行系统（核心）程序；
  

2.4线程概念

• 线程是进程中执行运算的最小单位，也是执行处理机调度的基本单位
• 一个进程可以包含一个或多个线程;

2.4.1线程的组成和状态

• 线程的组成： 每个进程都有一个thread结构，及程序控制块，用于保存自己私有的信息；

1. 一个唯一的线程标识符（PID）；
2. 描述处理器工作情况的一组寄存器的内容；
3. 每个thread结构有两个栈指针,一个指向核心栈,一个指向用户栈;
4. 一个私有存储区,存放现场保护信息和其他与线程相关的统计信息;

• 线程的状态:

5. 运行状态;
6. 就绪状态;
7. 阻塞状态;
8. 终止状态: 当一个线程完成任务后,它占用的寄存器和栈等私有资源会被系统回收,并重新分配给另外的线程;

2.4.2 线程的实现方式------用户级线程和核心级线程

1. 用户级线程: 在用户空间实现;

优点:

• 切换速度快；
• 调度算法可专用 ；
• 可运行在任何操作系统上

缺点:

• 阻塞问题；
• 多处理器利用问题

2. 核心级线程: 在核心空间实现;

优点:

• 真正实现并行操作
• 克服阻塞问题
• 本身也可以是多线程的

缺点:

• 控制转移开销大
• 调度算法由核心确定，应用进程无法影响线程的切换

2.5 进程间的同步与互斥

2.5.1 进程间的三种关系

1.同步

• 同步进程通过共享资源来协调活动，在执行时间的次序上有一定约束。如:SPOOLing系统;

2.互斥

• 进程争用某些资源 ,由于竞争同一个物理资源而相互制约

3.通信

• 各个进程通过名字彼此之间进行通信;

2.5.2竞争条件和临界区

竞争条件: 两个或多个进程同时访问和操纵相同的数据时,最后的执行结果取决于进程运行的精确时序;

• 要避免竞争条件：禁止两个或两个以上的进程的同时进入临界区；

临界资源： 共享资源都有一个特征，一次仅允许一个进程使用；

临界区： ：每个进程中访问临界资源的那段程序，简称CS区

进入临界区要遵循的准则：

1. 任何两个进不能同时处于其临界区；
2. 进程运行的速度具有不确定性；
3. 应保证进入临界区的进程能不受干扰的运行；
4. 不得使进程无限期等待进入临界区；