计算机操作系统之进程的描述与控制

（一）前驱图和程序执行

前驱图（Precedence Graph）：有向无循环图，可记为DAG（Directed Acyclic Graph），用于描述进程之间执行的先后顺序，不允许有循环。
每个结点可用来表示一个进程或出现段，乃至一条语句
结点间的有向边表示两个结点之间存在的偏序（Partial Order）或前驱关系（Precedence Relation）
进程P1和P2存在前驱关系可表示为P1->P2，P1是P2的直接前驱，P2是P1的直接后继
没有前驱的结点称为初始结点（Initial Node）
没有后继的结点称为终止结点（Final Node）
每个节点还具有一个重量（weight）：用于表示该结点所含有的程序量或程序的执行时间
程序顺序执行时的特征：

• 顺序性
• 封闭性
• 可再现性

程序并发执行时的特征：

• 间断性
• 失去封闭性
• 不可再现性

（二）进程的描述

进程的定义：

• 进程是程序的一次执行
• 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
• 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程实体（又称进程映像）：简称为进程，由三部分构成：

• 程序段
• 相关的数据段
• 进程控制块（Proces Control Block，PCB）：使参与并发执行的每个程序（含数据）都能独立地运行的数据结构

进程的特征：

• 动态性：进程最基本的特征，进程的实质是进程实体的执行过程
• 并发性：程序（没有建立PCB）是不能参加并发执行的
• 独立性：未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行
• 异步性：进程是按异步方式运行的

进程的三种基本状态：

• 就绪（Ready）状态
• 执行（Running）状态
• 阻塞（Block）状态

创建状态和终止状态

挂起操作引入的原因是基于系统和用户的需要：

• 终端用户的需要
• 父进程请求
• 负荷调节的需要
• 操作系统的需要

引入挂起原语操作后三个进程状态的转换：

• 活动就绪–>静止就绪
• 活动阻塞–>静止阻塞
• 静止就绪–>活动就绪
• 静止阻塞–>活动阻塞

引入挂起操作后五个进程状态的转换：

• NULL–>创建
• 创建–>活动就绪
• 创建–>静止就绪
• 执行–>终止

进程管理中的数据结构：

• 内存表
• 设备表
• 文件表
• 进程表：又称进程控制块PCB

PCB的作用： 是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据）成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程

• 作为独立运行基本单位的标志
• 能实现间断性运行方式
• 提供进程管理所需要的信息
• 提供进程调度所需要的信息
• 实现与其他进程的同步与通信

进程控制块中的信息：

1. 进程标识符：用于唯一地标识一个进程
   外部标识符：通常由字母、数字组成，设置父进程标识及子进程标识，还可设置用户标识
   内部标识符：通常是一个进程的序号，赋予每个进程一个唯一的数字标识符
2. 处理机状态：处理机状态信息也称为处理机的上下文，重要是由处理机的各种寄存器中的内容组成。
   通用寄存器：又称用户可视寄存器
   指令计数器：存放要访问的下一条指令的地址
   程序状态字PSW：含状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等
   用户栈指针：用于存放过程和系统调用参数及调用地址
3. 进程调度信息
4. 进程控制信息

进程控制块的组织方式：

• 线性方式
• 链接方式
• 索引方式
  操作系统内核的两大功能：
• 支撑功能
  中断处理
  时钟管理
  原语操作：一个操作中的所有动作要么全做，要么全部做
• 资源管理功能
  进程管理
  存储器管理
  设备管理

引进创建进程的事件：

• 用户登录
• 作业调度
• 提供服务
• 应用请求

进程创建的步骤：

• 申请空白PCB
• 为新进程分配其运行所需的资源
• 初始化进程控制块（PCB）
  初始化标识信息，将系统分配的标识符和父进程标识符填入新PCB中
  初始化处理机状态信息，使程序计数器指向程序的入口地址，是栈指针指向栈顶
  初始化处理机控制信息
• 若进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列

引入进程终止（Termination of Process）的事件：

• 正常结束
• 异常结束
  越界错
  保护错
  非法指令
  特权指令错
  运行超时
  等待超时
  算术运算错
  I/O故障
• 外界干预

引入进程阻塞和唤醒的事件：

• 向系统请求共享资源失败
• 等待某种操作的完成
• 新数据尚未到达
• 等待新任务的到达

进程的挂起与激活

（三）进程同步

概念： 使进程对系统资源的无序争夺能有条不紊地运行。
作用： 改善资源利用率，显著提高系统的吞吐量

进程之间存在的两种形式的制约关系：

• 间接相互制约关系：由系统实施统一分配
• 直接相互制约关系：官程机制

临界资源：
多道程序系统中存在许多进程，它们共享各种资源，然而有很多资源一次只能供一个进程使用。
一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如输入机、打印机、磁带机等。

临界区：
每个进程中访问临界资源的那段代码
在临界区前面增加一段用于进行检查的代码，把这段代码称为进入区(enter section)。
相应地，在临界区后面也要加上一段称为退出区(exit section)的代码，用于将临界区正被访问的标志恢复为未被访问的标志。
进程区除上述的进入区、临界区及退出区之外的其他部分的代码都称为剩余区。

为实现进程互斥地进入自己的临界区，可采用软件方法，更多的是在系统中设置专门的同步机制来协调各进程间的运行。所有同步机制都应遵循下述四条准则：

• 空闲让进：当无进程处于自己的临界区时，表明临界资源处于空闲状态，应允许一个请求进入临界区的进程立即进入自己的临界区，以有效地利用临界资源。
• 忙则等待：当已有进程进入临界区，表明临界资源正在被访问，因而其它试图进入临界区的进程必须等待，以保证对临界资源的互斥访问。
• 有限等待：对要求访问临界资源的进程，应保证在有限时间内能进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。
• 让权等待：当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理机，以免进程陷入“忙等”状态。

硬件同步机制：
1.关中断：实现互斥的最简单方法之一
2.利用Test-and-Set指令实现互斥
3.利用Swap指令实现进程互斥

信号量机制：
1.整形信号量
2.记录型信号量
3.AND型信号量
4.信号量集

信号量的应用：
利用信号量实现进程互斥
利用信号量实现前驱关系

管程机制

管程的定义：
一个管程定义了一个数据结构能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中de数据

管程由四部分组成：

• 管程的名称
• 局部于管程的共享数据结构说明
• 对该数据结构进行操作的一组过程
• 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句

管程主要有以下特性：

• 模块化：即管程是一个基本程序单元，可以单独编译
• 抽象数据类型：指管程中不仅有数据，而且有对数据的操作
• 信息隐蔽

管程和进程的不同：

• 两者都定义了数据结构，但进程定义的是私有数据结构PCB，管程定义的是公共数据结构，如消息队列等
• 两者都存在对各自数据结构上的操作，但进程是由顺序程序执行有关操作，而管程主要是进行同步操作和初始化操作
• 设置进程的目的在于实现系统的并发性，而管程的设置则是解决共享资源互斥使用问题
• 进程通过调用管程中的过程对共享数据结构实行操作，该过程就如通常的子程序一样被调用，因而管程为被动工作方式，进程则为主动工作方式
• 进程之间能并发执行，而管程则不能与其调用者并发
• 进程具有动态性，由“创建”而诞生，由“撤销”而消亡，而管程则是操作系统中的一个资源管理模块，供进程调用

进程通信

进程通信机制的四大类：

• 1.共享存储器系统(Shared-Memory System)
  基于共享数据结构的通信方式
  基于共享存储区的通信方式
• 2.管道(pipe)通信系统
• 3.消息传递系统(Message passing system)
  直接通信方式
  间接通信方式
• 4.客户机-服务器系统(Client-Server system)

套接字： 网络通信程序接口，主要是解决多进程同时通信时端口和物理线路的多路复用问题。包括两类：

• 基于文件型
• 基于网络型

远程过程调用和远程方法调用