操作系统课件——进程管理

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协同工作的进程之间存在同步关系，但是进程之间的更 一般关系却是互斥（！！！），同时互斥又可以理解为 是一种特殊的同步（？？？）。 同步与互斥的解决方法 软硬件方法：
软件：单双标志、双标志改进、Peterson’s Algorithm 硬件：关中断、TS和swap指令
信号量机制：重点介绍 管程机制：基于面向对象的方法，将共享变量以及对于共享
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3 进程控制原语
创建进程、撤消进程、实现进程状态变迁都是操系统 的底层功能之一，称为进程控制。 进程控制程序通常做成原语，属于操作系统的内核。 内核：kernel，是OS的常驻部分，是对硬件的首次扩 充，它由原语、中断处理和设备驱动程序所组成。 原语：primitive，是一种特殊的系统调用命令，是 由若干条指令构成的用以完成特定功能的一段程序， 是机器指令的延伸，特点是原子性。 Create and Terminate,创建与终止； Process Switch，进程切换； Block and Wakeup,阻塞与唤醒； Suspend and Activate,挂起与激活
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进程的分类 系统进程：系统进程起着资源管理和控制的作用。或 者：执行操作系统核心代码的进程。 用户进程：执行用户程序的进程。 （系统进程优先于用户进程）
系统进程被分配一个初始的资源集合，为它独占，也以最高优 先权的资格使用。用户进程通过系统服务请求的手段竞争使用 系统资源； 用户进程不能直接做I/O操作，而系统进程可以做显示的、直接 的I/O操作。 系统进程在管态下活动，而用户进程则在用户态（目态）下活 动。
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进程状态转换-七状态模型转换 由于某种原因，导致一些进程被对换至外存，成为挂 起状态。 阻塞挂起状态（Blocked suspend）：进程在外存 并等待某事件的出现； 就绪挂起状态（Ready suspend）：进程在外存， 但只要进入内存，即可运行； 就绪状态(Ready)：进程在内存且可立即进入运行 态； 阻塞状态(Blocked)：进程在内存等待某事件出现
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进程状态转换-三状态模型转换 在进程运行过程中，由于进程自身进展情况及外界环 境的变化，三种基本状态可以依据一定的条件相互转换 （四种转换）。 就绪-->运行：调度程序选择一个 新的进程运行 运行-->就绪：运行进程时间片用 完或因一高优先级进程就绪 运行-->等待：I/O事件发生（典 型情况），初始化I/O 且必须等待 结果 等待-->就绪：I/O事件发生完成。
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从硬件方面看：处理机、外设、存储部件并行工作； 从程序方面看：则可能有若干个作业程序或者同时、 或者互相穿插在系统中并行运行。
这时，机器不再顺序执行某程 序。即，某程序的前一动作结 束后，系统不一定立即执行其 后续操作，而可能转而执行其 它程序的某一操作。 如右图，系统中有n个作业，每 个作业都有三个处理步骤，输 入数据、处理、输出，即Ii,Ci,Pi (i=1,2,3,...,n)。
......
PCBn 15
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进程的特征 并发性： 动态性：生命周期 独立性：独立调度 异步性： 结构性
类比1 电影拷贝可以长期保存，而一次放映活动1～2小时。 类比2
程序与进程的区别 进程是动态的，程序是静态的； 进程是暂时的，程序的永久的； 进程与程序的组成不同； 通过多次执行，一个程序可对应 多个进程；通过调用关系，一个进 程可包括多个程序。
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4 进程同步
生活中的 同步问题 产生的原 因在于甲 乙未能协 同执行。
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在多道环境中，多个进程可以并发执行，同时又要共享 系统资源，这些资源有些是可共享使用的，有些是以独 占方式使用的。由此将会引起一系列的矛盾，产生错综 复杂的相互制约的关系。
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并发-》进程间产生复杂的制约关系 原因： 资源共享 进程合作 协同工作的进程之间存在如下关系 同步：synchronism，直接作用，指合作进程在执行 时序上的一种相互制约关系 互斥：mutual exclusion，间接作用，同一时刻不 允许多个进程访问同一资源的现象，称为进程的互 斥。
引入并发提高了系统效率！！！！
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但是程序的并发执行会导致： 间断(异步)性：“走走停停” 失去封闭性：共享资源，受其他程序的控制逻辑的影 响。 失去可再现性：失去封闭性 －>失去可再现性；
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程序的并发执行可能导致问题
例1：设有一台标准输入设备（键盘），和一台标准输 出设备（显示器或打印机），输入程序负责从标准设备 中读取一个字符，送缓冲区中。输出程序从缓冲区中取 数据，送标准设备输出。

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例2：订票系统，两个终端，运行T1、T2进程 T1 : ... T2: ...
Read(x);
if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
Read(x);
if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
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2 进程基本概念
多道系统中的程序并发运行的新特点，程序本身是无法 描述的，为此，当一个程序在并发系统中执行时，需引 进一个新的数据结构来记录和描述这些特征。 这样，新引进的数据结构与它所描述的程序便形成了一 个有机体-进程（Process）。 MIT于60年代初期提出进程模型 进程是具有独立功能的程序在某个 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独立单位。
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进程的状态及其转换 不同系统设置的进程状态数目不同 三状态模型：(基本状态) 进程在生命消亡前总是处于 且仅处于三种基本状态之一（就绪、运行、阻塞）。 当然，除某些比较特殊的进程以外，大多数进程有其 发生、发展和消亡的过程，不会无休止地在上述三种 状态中循环。 五状态模型：引入创建、终止状态 七状态模型： 系统出于某种原因（调节负载，对换， 父进程，操作系统，终端用户）引入挂起状态。
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注意： 进程与PCB是一一对应的 是每个进程在系统中的登记表项（有总数限制），OS 据此对进程进行控制和管理（PCB内容会动态改变）； 处于核心段，通常不能由应用程序自身的代码来直接 访问，而要通过系统调用，或通过UNIX中的进程文件系 统(/proc)直接访问进程映象(image) 。
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示例： 设内存中3个进程A、B、C，他们的程序代码已全部装入 内存。若A、C两进程需要执行12条指令，B进程需要执行 10条指令，且B进程执行到第4条指令处必须等待I/O，假 设系统设定每6条指令时间为某进程提供的服务时间。
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进程状态转换-五状态模型转换 引入了创建状态与终止状态。 创建(新new)状态：通常是进程控制块已经创建但还没 有加载到内存中的新进程。 终止(退出exit)状态:进程已结束运行，回收除PCB之外 的其他资源，并让其他进程从PCB中收集有关
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并发执行模式下的系统工作效率 系统总运行时间：45 CPU使用效率：40 / 45 = 89% DEV1使用效率：15 / 45 = 33% DEV2使用效率：25 / 45 ＝ 55.6%
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两种执行模式下的系统工作效率变化： 系统总运行时间：80 -》45 CPU使用效率：50% -》89% DEV1使用效率：18.75% -》33% DEV2使用效率：31.25% -》55.6%
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进程的创建:系统为一个程序分配 一个工作区（存放程序处理的数 据），并通过创建原语为该程序建 立一个PCB后，进程创建完成。 创建原语完成以下工作： 建立一个PCB（申请空PCB）； 为进程分配内存等必要资源（ 进程的工作区，存放程序处理 的数据集）； 填写PCB中各项目,如，初始状 态为“就绪态”； PCB插入进程就绪队列。
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PCB的内容： 进程描述信息：包括进程标识符(Process ID，唯一， 通常是一个整数）、PPID（Parent PID）和用户标识符 (user ID)等。 进程控制信息：进程当前状态、优先级、代码执行入 口地址、程序外存地址、运行统计信息（执行时间、调 度情况等）、同步和通信等； 资源占用信息：虚拟地址空间的现状、打开文件列表 CPU现场保护结构：寄存器值（通用、程序计数器PC、 状态PSW，地址包括栈指针）
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问题：为什么要引入并发？ 引入并发提高了系统效率
顺序执行模式下的系统工作效率 系统总运行时间：80 CPU效率：CPU占用时间/总时间 ＝ (10+5+10+10+5)40/80 = 50% DEV1使用效率：15 / 80 ＝ 18.75% DEV2使用效率：25 / 80 = 31.25%
第2章 进程管理
Part1 进程基本知识 Part2 Linux进程管理
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Part 1 进程基本知识
1 为什么引入进程 2 进程基本概念 3 进程控制原语 4 进程同步 5 进程通信 6 进程调度 7 死锁 8 线程简介
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1 进程引入
早期的计算机系统采用批处理管理模式，进入计算 机系统工作的程序只有一个，因此程序是顺序执行的 。 顺序执行程序具有顺序性、封闭性和可再现性 为了提高计算机系统内各种资源的使用效率，现代 计算机系统设计中普遍采用了多道程序技术，程序在 系统中是并发执行的。
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三状态模型：(基本状态)进程在生命消亡前总是处于且 仅处于三种基本状态之一。 运行态（Running）：当进程由调度/分派程序 (Dispatcher)分派后，进程占有CPU，并在CPU上运行。 （注：在单CPU系统中，总只有一个进程处于此状态） 就绪态（Ready）：一个进程已经具备运行条件， 但由于无CPU暂时不能运行的状态（当调度给其CPU时， 立即可以运行） 等待态（Blocked）：阻塞态、挂起态、封锁态、冻 结态、睡眠态，指进程因等待某种事件的发生而暂时不 能运行的状态（意：即使CPU空闲，进程也不可运行）