进程控制

待我称王封你为后i 2022-08-09 09:46 182阅读 0赞

知识点：进程概念：程序的运行状态，包括数据，代码，pcb，堆栈等内存空间

进程的状态与转换：三种基本状态和四种主要转换

进程控制：进程的创建，撤销，激活，挂起等操作

进程组织：pcb的数据结构，就绪队列，多个阻塞队列

进程间通信：共享存储系统，消息传递系统，管道通信

线程概念和多线程模型：线程的概念，线程的运用，线程的分类，线程的数据结构等

处理机调度：为什么要调度，调度的实质，算法以及分派程序等

调度时机，分派过程：调度何时激活，如何调度，上下文切换的概念和执行过程

调度的基本准则：公平性，优先策略，大型的批处理系统以周转时间、吞吐量和处理机利用率为指标；交互式系统以响应时间和符合用户习惯为准则；实时系统以截止时间和保证周期性任务为准则。

调度方式：作业调度（宏观调度），内外存交换调度（中级调度），进程线程调度（微观调度）

典型调度算法：先来先服务调度算法，短进程短线程优先调度算法，时间片轮转调度算法，优先级调度算法，高响应比优先调度算法，多级反馈队列调度算法

同步与互斥：进程间竞争与合作形成了同步和互斥的基本关系

实现临界区互斥的基本方法：同步的四个基本原则

软件实现方法：标志法，彼得森算法

硬件实现算法：ts，swap方法

信号量：pv原语的含义，自我阻塞，阻塞队列，唤醒操作，互斥信号量，资源信号量等

管程：管程的概念，封装，管程的实现方法和管程的使用

经典同步问题：生产者消费者问题，读写者问题，哲学家进餐问题

死锁：死锁的定义与饥饿的区别，死锁产生的原因和死锁产生的四个必要条件

死锁的处理方法：四种处理方法

1、鸵鸟算法，不处理

2、死锁预防，破坏死锁出现的条件，条件有四种：互斥条件（只允许一个进程使用某种资源），占用并请求另一种资源，非剥夺条件，循环等待

将独享设备改成共享设备，如打印机。一次性申请所有资源，破坏非剥夺条件，现在拿不到就释放已有资源，破坏循环条件，注意顺序。

采用定时锁lock.trylock(timeout)是一种方法，特别的对于数据库锁要在一个连接里加锁解锁否则会解锁失效

3、死锁避免：系统安全状态，银行家算法

4、死锁检测和解除：检测方法有资源有向图，资源矩阵法，死锁的检测方法有剥夺资源法，进程回退法，撤销进程法和重启系统法。

1、进程概念：操作系统中最核心的概念是进程，进程是对正在运行的程序的一个抽象。操作系统的其它所有内容都是围绕进程展开的。

进程是系统资源分配的最小单位，是系统中程序动态运行的过程，包括代码段数据段和堆栈段和进程控制块。进程的特征：动态性，进程具有一定的生命周期，由创建而产生，由调度而运行，因为得不到资源而暂停运行，由撤销而消亡。并发性；独立性；异步性：所以必须要有特别的同步机制来协调运行

进程并发改善了操作系统的资源利用率和操作系统的吞吐量，但是操作系统也为此付出了代价

进程的内存开销：系统必须为每个进程建立进程控制快pcb，通常常驻内存，此外，为了协调并发运行，系统还要进行进程管理机构，解决同步互斥，死锁问题，会占用可观的内存空间

进程的时间开销：在内存切换时，系统要保存正在运行的进程的现场，并且为即将运行的进程设置新现场，需要系统本身花费更多的时间处理（处理机时间）

2、进程的状态与转化：三态模型：就绪（进程已经分配到除了处理机以外的其它资源，可能有很多就绪进程排成就绪队列），运行（进程占用处理机，运行程序，单处理机系统只能有一个进程处于运行状态，多处理机系统可能有多个进程处于运行状态），阻塞（进程等待某件事情发生而处于暂停状态，如等待io，等待数据到达，等待缓冲空间）

五态模型，增加了新建状态（进程刚刚建立还没有被送入就绪队列）和终止状态（进程结束，已经移除就绪队列，但是还没有撤销时的状态）

就绪挂起和阻塞挂起，将长时间不用的进程放在外存，以减少资源浪费，阻塞挂起可以在外存转换成就绪挂起，运行的程序挂起后直接是就绪挂起

状态转换：四种主要的：就绪到运行：调度程序为就绪队列进程分配处理机；运行到就绪：因时间片用完或在抢先调度方式中优先级高的进程到来，当前进程被强制撤下处理机；运行到阻塞：因程序需要等待某件事情而暂停；阻塞到就绪：事件发生了，其它状态转换：新建到就绪or就绪挂起，就绪和就绪挂起之间，阻塞和阻塞挂起之间，运行到退出，运行到就绪挂起，阻塞挂起到就绪挂起

3、进程控制机制

操作系统使用原语控制进程状态的改变，原语被认为是机器语言的延伸，是完成特定任务的一段基本程序。原语的操作具有原子性，原子性就是不可拆分的操作，要么全部完成，要么不完成，他的机制是用屏蔽中断实现的。

主要进程原语

1、进城创建原语（系统调用）：创建进程的方式有两种，一种是系统程序初始化的时候统一创建，另一种是由进程创建进程（守护进程，大多数时候在休眠，事件发生被唤醒）。创建进程的原语的主要工作是：首先查找pcb表，查询有无空的pcb表项，有则初始化，初始化项目包括进程标识符，进程运行状态和运行程序的起始地址等，如果申请不成功，则返回创建失败信息。也可能是点击鼠标新开程序，也可能是大型批处理机提交作业。

unix系统两步新建进程：fork创建一个和父类相同的进程，exec修改其存储映像使其变为一个新进程，之所以要进行两步是允许孩子进程处理其文件描述符，这样可以完成对标准输入标准输出和标准出错的重定向。

windows中一步createprocess，该系统调用有是个参数，windows中大概有100个左右的系统调用用于处理系统管理，同步以及相关事务

unix有些实现中不可写的内存是共享的，windows中进程一开始就是不同的地址空间。

进程结束：unix exit，w exitprocess，被其他进程杀死 unix kill wterminateprocess

unix 有init进程为根的树形结构，w中没有这种结构，有令牌，父进程可以阿布令牌传递给别的进程

2、进程撤销原语：撤销原语释放进程所占用的各种资源和pcb结构，撤销原语的主要工作是：检查pcb链表，寻找要撤销的进程是否存在，找到了就收回资源和pcb结构，如果进程还有子进程，那么会先撤销子进程。

3、进程阻塞原语：当进程等待某一事件发生的时候通过阻塞原语阻塞自己，进程阻塞原语运行时候，必须先停止进程并保存该进程的处理机现场。将阻塞进程插入到等待队列中，再将控制权交给调度程序，调度程序按照调度算法从就绪队列中选择一个进程投入运行。

4、进程唤醒原语：当进程等待的事件或条件发生时候，等待该事件发生的进程队列的第一个进程被唤醒。被唤醒的进程从相应的等待队列移除，并将其pcb中的状态置为就绪态，进入就绪队列。

5、进程挂起原语：当用户要干预进程活动时，或者系统需要更多的资源，可以将某些进程置于挂起状态或者阻塞状态，挂起原语将进程交换到外存交换区挂起，释放其所占用的内存资源，改写pcb，返回系统

6、进程激活原语：将挂起的程序变为就绪状态，需要重新分配内存，进行内存重定位，改写pcb状态，内存分配信息，程序计数器等

2、进程实体

操作系统中，进程的实体包括：

1、程序：进程要执行的代码

2、数据结构：程序运行需要的内存空间，堆栈静态存储区自由存储区常量存储区

3、进程控制快：进程控制块包含了进程的描述信息（pid、用户标识符）、控制信息（进程当前状态（阻塞原因），优先级，代码运行地址入口，程序外存地址，进入内存时间，处理机占用时间，信号量使用）和资源信息（代码段指针，数据段指针，堆栈段指针，文件描述符）和处理机相关信息（通用寄存器值，地址寄存器值，控制寄存器值，标志寄存器值和和状态字），是进程动态特性对的集中反应。pcb表项的个数是有限的，限制了系统中进程个数的最大值不能超过其最大值。

连接方式：具有相同状态的pcb，用其中的链接地址连接成一个队列，这样形成就绪队列，阻塞队列等等。

索引方式：根据所有进程的状态，建立几张索引表，例如就绪索引表，阻塞索引表

3、进程键通信

前面我们学习了一下进程，我们知道多进程间的地址空间相对独立。进程与进程间不能像线程间通过全局变量通。 如果想进程间通信，就需要其他机制。

常用的进程间通信方式有这几种

A.传统的进程间通信方式

无名管道(pipe)、有名管道(fifo)和信号(signal)

B.System v IPC对象

共享内存(share memory)、消息队列(message queue)和信号灯(semaphore)

C.BSD

套接字(socket)

1、管道：管道分为有名管道和管道，其中管道只允许有亲缘关系的进程之间的通信，有名管道则没有这样的限制，单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，如果要实现双方通信的画要实现两个管道。管道是基于文件描述符的通信方式。当一个管道建立时，它会创建两个文件描述符fd\[0\]和fd\[1\]。其中fd\[0\]固定用于读管道，而fd\[1\]固定用于写管道,一般文件I/O的函数都可以用来操作管道(lseek除外)。

\# 信号量( semophore ) ： 信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。  
\# 消息队列( message queue ) ： 消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。  
\# 信号 ( sinal ) ： 信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。  
\# 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。  
\# 套接字( socket ) ： 套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。