操作系统笔记-2.1进程的知识

目录

• 进程的定义
• 进程的组成
• PCB
• 程序段
• 数据段
• 进程的组织
• 链接方式
• 索引方式
• 进程的特征
• 进程的状态
• 三种基本状态
• 另外两种状态
• 进程控制
• 实现进程控制
• 进程通信
• 共享存储
• 管道通信
• 消息传递
• 线程-轻量级进程
• 线程的实现方式
• 多线程模型

---

进程的定义

进程一般也称为进程实体(进程映像)，由数据段，程序段，PCB（程序控制块）三部分组成

创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤销进程，实质上也是是撤销PCB

注意：PCB是进程存在的唯一标志！

进程是进程实体的运行过程(动态性)，是系统进行资源分配和调度的最小单位

严格来说：进程实体和进程不一样，进程实体是静态的，进程是动态的

---

进程的组成

PCB

PCB: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进行管理所需的各种信息

程序段

程序代码

数据段

程序运行时使用，产生的运算数据，如变量，宏定义常量等

---

进程的组织

进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题

链接方式

按照进程状态将PCB分为多个队列，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(最基本特征)：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的

并发性：内存中有多个进程实体，各进程并发进行

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：各进程独立的、不可预知的速度向前推进。OS要提供“进程同步机制”来解决异步问题

结构性：每个进程都配置一个PCB。结构上看，进程由程序段，数据段、PCB组成

---

进程的状态

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，但没有空闲CPU，暂时不能运行

阻塞态(等待态)：因等待某一事件，而未能运行

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：进程从系统中撤销，操作系统回收进程资源，撤销PCB

---

进程控制

进程控制简单来说就是进程状态的转换

创建进程：需要初始化PCB，分配系统资源

创建态->就绪态：修改PCB内容和相应队列

就绪态->运行态：恢复进程运行环境、修改PCB内容和相应队列

运行态->阻塞态：保存进程运行环境，修改PCB内容和相应队列

运行态->终止态：回收进程拥有的资源，回收PCB

运行态->就绪态：保存进程运行的环境，修改PCB内容和相应队列

阻塞态->就绪态：修改PCB内存和相应队列。如果等待的是资源，则还需为进程分配系统资源

实现进程控制

用原语实现进程控制，原语的特点是执行期间不允许中断，有原子操作性

原语使用”关中断指令“和”开中断指令“

开/关中断指令的权限非常大，是只允许在核心态下执行的特权指令

每个原语是三类事情：

1.更新PCB信息

2.将PCB插入合适的队列

3.分配/回收资源

---

进程通信

进程通信就是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），因此各进程内存空间独立

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

但是进程之间的信息交换又必须实现。为了保证安全，操作系统提高一些通信方法

共享存储

在内存中开辟一块共享空间，两个进程对共享空间的访问必须是互斥的

基于数据结构的共享：速度慢，限制多，低级通信

基于存储区的共享：数据形式、存放位置由进程控制，而不是操作系统，更快，高级通信

管道通信

• 一个管道只能半双工通信，所以要实现双向实时通信，则需要设置两个管道
• 数据以字符流形势写入管道，当管道写满时，写进程的write系统调用将被阻塞，等待都进程将数据取走。当读进程全部取走数据后，管道变空，此时读进程的read()将被阻塞
• 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写
• 数据一旦读出，就被管道抛弃，意味着读进程最多只有一个

消息传递

进程间的数据交换以格式化信息(Message)为单位。

进程通过OS提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换

直接通信方式：进程1通过发送原语将信息挂在进程2的消息缓冲队列尾，进程2通过接收原语接收

间接通信方式：消息先要发送到中间实体(信箱)中。因此也称“信箱通信方式”

---

线程-轻量级进程

一个进程可能需要“同时”做很多事情，而传统进程只能串行，故引入线程，增加并发度

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位

引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元

        --如内存地址空间等都是分配给进程的

	进程	线程
资源分配、调度	资源分配的最小单位	cpu调度的基本单位
并发性	低	高
系统开销	进程切换开销大	线程切换开销小

线程的实现方式

用户级线程	内核级线程
用户级线程应该由应用程序通过线程库实现	内核级线程的管理工作由操作系统内核完成
用户级线程中，线程切换可以在用户态下完成，无需OS干预	线程调度、切换工作由内核负责，内核级线程的切换必需在核心态下完成
所有的线程管理工作都有应用程序负责（包括线程切换）	内核级线程才是处理机分配的单位

多线程模型

多对一模型：一个内核级线程，多个用户级线程

优点：用户级线程切换在用户态完成，不需要核心态，线程管理系统开销小，效率高

缺点：一个用户级线程阻塞后，整个进程都被阻塞，并发度不高

一对一模型:一个内核级线程对应一个用户级线程

优点：一个线程阻塞后，彼得线程还可以执行，并发能力强。多线程可以在多核机器上并行执行

缺点：一个用户进程占用多个内核级线程，线程切换由OS完成，需要切换核心态，开销大

多对多模型：n用户线程映射到m个内核级线程（n>m）

克服了多对一模型并发度不高的问题，又克服一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程问题