2.第二章 进程管理

这是一篇关于2.第二章 进程管理的思维导图。操作系统：是一种复杂的系统软件，是不同程序代码、数据结构、数据初始化文件的集合，可执行。

第二章 进程管理

• 进程的描述：
  • 程序的执行方式：
    • 定义：
      • 进程是操作系统的核心
    • 程序的顺序执行：
      • 含义：
        • 先进入内存的程序先执行，在一个程序执行完毕之前，不能执行其他程序
      • 特点：
        • 顺序性：
          • 处理机的操作，严格按照程序所规定的【顺序执行】
        • 封闭性：
          • 程序是在【封闭的环境】下运行的，即程序在运行时【独占全机资源】
        • 可再现性：
          • 程序不论执行多少次，【结果都相同】
    • 程序的并发执行：
      • 含义：
        • 程序并发执行是指在【同一时间间隔内】运行多个程序，一个程序执行结束前，可以运行其他程序
      • 两种并行：
        • 宏观并行：用户看到多个程序同时向前推进
        • 微观串行：任意时刻一个CPU上只有一个程序在执行
      • 特点：
        • 间断性：
          • 程序在CPU上执行时，是【时断时续】的
        • 失去封闭性：
          • 系统的状态【不再只对正在执行的程序可见】
        • 不可再现性：
          • 同一个程序在输入相同的情况下多次运行，可能出现【不同的结果】
  • 进程的概念：
    • 定义：
      • 进程：允许并发执行的程序在某个【数据集合】上的【运行过程】
    • 进程的组成部分：
      • 正文段
      • 用户数据块
      • 进程控制块（PCB）
    • 进程的特征：
      • 并发性：多个进程实体能在【一段时间间隔内同时运行】，现代操作系统的【重要特征】
      • 动态性：进程是【实体的执行过程】
      • 独立性：【独立运行】和【资源调度】的【基本单位】
      • 异步性：进程的执行时断时续，何时进行、何时暂停都【无法预知】
      • 结构特征：进程实体包括用户【正文段】、【用户数据块】和【进程控制块】
  • 程序与进程的比较：
    • 区别：
    • 联系：
      • 进程是程序的一次执行
      • 一个程序可以对应多个进程
      • 同一个进程顺序地执行几个程序
  • 进程控制块：
    • 定义：
      • 进程控制块是【进程实体的一部分】，是操作系统中【最重要的数据结构】
      • 进程控制块中记录了【操作系统】所需要的、用于【描述进程及控制进程运行】所需的全部信息
    • 组成部分：
      • 进程标识符信息：
        • 用于【唯一标识一个进程】
      • 处理机状态信息：
        • 进程用于了解【处理机的工作状态】的信息
        • 通用寄存器
        • 指令计数器（PC）
        • 程序状态字(PSW)
        • 用户栈指针
      • 进程调度信息：
        • 根据【状态算法进行进程调度】（决定谁先进入CPU）：
        • 进程状态信息
        • 进程优先级
        • 进程调度所需的其他信息
      • 进程控制信息：
        • 控制进程进入CPU的顺序：
        • 程序和数据的地址
        • 进程同步和通信机制
        • 资源清单
        • 链接指针
  • 进程的状态：
    • 三种状态：
      • 执行态：
        • 进程在CPU中正在运行，每个进程必须有【一个】执行态
      • 就绪态：
        • 符合CPU的准备执行条件，等待执行
      • 阻塞态：
        • 又名等待态或封锁态，不符合CPU的执行条件
    • 示意图：
    • 执行变化：
      • 就绪态→执行态：
        • 就绪态被选中
      • 执行态→就绪态：
        • 分配时间片用完
      • 执行态→阻塞态：
        • 执行过程中不符条件
        • 需要等待某一事件
      • 阻塞态→就绪态：
        • 等待的条件得到满足
  • 进程的组织：
    • 链接方式：
      • 把系统中具有【相同状态】的进程控制块PCB用其中的【链接字】连城一个队列
    • 索引方式：
      • 系统根据所有进程的状态，建立【索引表】，索引表的每一个【表项】指向一个【PCB物理块】
    • 进程队列：
      • 把具有相同状态的进程控制块用【队列】组织起来
• 进程的控制：
  • 进程的创建：
    • 创建进程的条件：
      • 用户登录
      • 作业调度
      • 提供服务
      • 应用请求
    • 创建进程的步骤：
      • 申请空白PCB
      • 为新进程分配资源
      • 初始化进程控制块
      • 将进程插入到就绪队列
    • 父、子进程的关系：
      • 新进程创建时：
        • 父进程与子进程并发执行
        • 父进程等待，直到某个或全部子进程执行完毕
      • 新进程的地址空间：
        • 子进程共享父进程的地址空间
        • 子进程拥有独立地址空间
  • 进程的阻塞：
    • 进程的阻塞条件：
      • 请求系统服务
      • 启动某种操作
      • 新数据上未到达
      • 无新工作可做
    • 进程阻塞的过程：
      • 将进程的状态改为阻塞态
      • 将进程插入相应的阻塞队列
      • 转到进程调度程序，从就绪队列中选择进程为其分配CPU
  • 进程的唤醒:
    • 将进程从阻塞队列中移出
    • 将进程状态由阻塞态改为就绪态
    • 将进程插入就绪队列
  • 进程的终止:
    • 条件：进程正常执行完毕
    • 完成进程终止的过程：
      • 从进程PCB中读进程状态
      • 若进程正在执行，则终止进程的执行
      • 释放资源
      • 将终止进程的PCB移出
• 操作系统内核：
  • 【定义】：
    • 操作系统内核是计算机硬件的【第一次扩充】，内核执行操作系统与硬件关系密切，执行频率高的模块，常驻【内存】
  • 内核的功能：
    • 支撑功能：
      • 中断处理
      • 时钟管理
      • 原语操作
    • 资源管理功能：
      • 进程管理
      • 存储管理
      • 设备管理
  • 中断：
    • 【定义】：
      • 中断是【改变处理器执行顺序的一种事件】
      • 出现中断时，【计算机停止运行的程序】，转向【对这些中断事件的处理】，处理结束后再【返回到现行程序的间断处】
    • 引入中断的目的：
      • 引入中断后，能有效【提高CPU的利用率】，改善系统性能，【支持系统的异步操作】
    • 中断的分类：
      • 同步中断（内部中断或异常）
      • 异步中断（外部中断）：
        • 外部可屏蔽中断
        • 外部不可屏蔽中断
    • 【背】引起中断的原因：
      • 人为设置中断
      • 程序性事故
      • 硬件故障
      • I/O设备
      • 外部事件
    • 中断响应：
      • 响应中断的条件
      • 响应中断的时机
    • 单中断的处理过程：
  • 时钟管理：
    • 时钟：时钟是计算机系统的脉搏，计算机的很多活动都是由【定时测量】来驱动的
    • 两种时钟：
      • 实时系统时钟RTC:
        • CMOS，类似于时钟表，记录时间
      • OS时钟：
        • 类似于秒表，在计算机开始计数，记录精确时间
    • 操作系统的时钟机制：
      • 时钟硬件：
        • 保存当前的日期和时间
      • 时钟驱动程序：
        • 维持定时器
      • 工作方式：
    • 时钟驱动程序的功能：
      • 维护日期和时间
      • 递减当前进程在一个时间片内的剩余执行时间，防止运行超时
      • 对CPU的使用情况记账
      • 递减报警计数器
  • 系统调用：
    • 系统调用的内容：
      • 系统调用是一群【预先定义好的模块】
      • 提供【一条管道】让【应用程序】能由此到【核心程序】的服务
      • 系统调用是【系统程序】与【用户程序】之间的【接口】
    • 系统调用和用户调用：
      • 用户调用：
        • 用户空间：
          • 【用户进程】所处的地址空间
        • 用户执行态（目态）：
          • CPU【执行用户空间的代码】
      • 系统调用：
        • 系统空间：
          • 含有一切【系统核心代码】的地址空间
        • 系统执行态（管态）：
          • CPU【执行系统核心代码】
      • 区别：
        • 执行状态不同：
          • 系统调用运行在系统态
          • 用户函数运行在用户态
        • 执行过程不同：
          • 系统调用执行时，当前进程被中断
        • 系统调用加大了系统开销
    • 【背】系统调用的类型：
      • 进程控制类
      • 文件操纵类
      • 设备管理类
      • 通信类
      • 信息维护类
      • 口诀：精简射虎童
• 进程同步：
  • 进程同步基本概念：
    • 同步机制：
      • 保证在多任务共享系统资源的情况下，程序执行能得到正确的结果
    • 多道程序下进程的关系：
      • 资源共享关系：
        • 保证各进程以【互斥】的方式访问【临界资源】
      • 相互合作关系：
        • 保证相互合作的各进程【协调】执行
  • 进程同步的准则：
    • 进入区：
      • 检查进程是否可以进入临界区并对临界区【加锁】
    • 临界区:
      • 必须【以互斥方式访问】的共享资源称为【临界资源】
      • 进程中【访问临界资源】的那段【代码】称为【临界区】
    • 退出区：
      • 释放临界区访问权【解锁】
  • 临界区的四种状态：
    • 空闲等待：
      • 【没有进程】处于临界区，应允许一个请求进入临界区的进程进入
    • 忙则等待：
      • 临界区【已有进程】，其他视图进入临界区的进程必须等待
    • 有权等待：
      • 对于要访问临界资源的进程，应保证【有限时间内】进入临界区
    • 让权等待：
      • 申请不到资源，应【释放处理机】，以免浪费CPU资源
  • 信号量机制：
    • 信号量机制：
      • 用【信号量的取值】来表示资源的使用状况，以此为基础实现进程同步
    • 三类信号量机制：
      • 整型信号量机制：
        • 整型：
          • 定义：
            • 【共享资源状态】只能由特殊的【原子操作】改变的【整形量】
          • 原理：
            • 定义一个【整型变量】，用该变量的值标记【资源的使用情况】，初始值为【1】
          • 判断方式：
            • 如果值>0,表示有资源可用
            • 如果值<=0，表示资源忙，没有资源可用
        • 互斥：
          • 互斥信号量【mutex】初始值为1
          • 【例】：P1和P2两个进程都访问同一个临界资源打印机（CS），对应的信号量为S，S的初始值为1。想要实现互斥的代码如下：
          • 【注】：
            • 只有信号量S为1时，资源才能被申请
        • 协调：
          • 爸爸擀饼，妈妈放饼：
      • 记录型信号量机制：
        • 定义：【记录型变量】，用该变量的值【标记资源的使用情况】
        • 表示方式：
          • S.value:可用资源数量
          • L.value:阻塞资源数量
          • 当s.value>=0时，s.value的值表示资源数量
          • 当s.value<0时，s.value的绝对值表示阻塞进程的数量
        • 【注】：S.Value=0时，还有一个资源【正在使用】
        • 例：
          • P1,P2,P3三个进程同时访问一个临界资源，互斥信号量为s,s.value的初始值为1
      • AND型信号量机制【略】：
        • 原理：
          • 将进程在整个运行过程中所需的所有资源一次性地全部分配给进程，使用完毕一起释放
        • 实现方式：
• 进程通信：
• 线程：
  • 线程的概念和分类：
    • 概念：
      • 线程是【进程中的实体】，是被系统【独立调度和分派】的【基本单位】
      • 线程只拥有在运行中必需的资源，可与同一进程的其他线程【共享进程所拥有的全部资源】
    • 线程的结构：
      • 程序计数器
      • 一组寄存器
      • 栈
    • 分类：
      • 内核级线程：依赖与内核
      • 用户及线程：不依赖内核
  • 线程同步机制：
    • 原语操作
    • 信号量操作
  • 线程的3种基本状态：
    • 同上，略
  • 线程控制块：
    • 每个线程都由一个数据结构表示，这个数据结构就是【线程控制块TCB】
    • TCB记录了操作系统需要的、用于描述线程情况及控制线程运行所需的【全部信息】
    • 线程控制块通常采用【链接方式】来组织
  • 线程与进程的关系：
    • 资源和调度：
      • 【线程】是程序【执行的基本单位】，【进程】是【拥有资源的基本单位】
    • 地址空间资源：
      • 不同进程的地址空间是相互独立的，而【同一进程中的各线程共享同一地址空间】
    • 通信关系：
      • 进程之间的通信必须使用操作系统提供的进程间通信机制，而【同一进程中的各线程间可以通过直接通信】
    • 并发性：
      • 多进程之间可以并发执行，【多线程之间也可以并发执行】
    • 系统开销：
      • 【线程切换的开销】比进程切换的开销【小】
  • 线程的控制：
    • 创建：
      • 用户线程的创建
      • 内核线程的创建
    • 阻塞与唤醒：
      • 请求系统服务
      • 启动某种操作
      • 新数据尚未到达
    • 调度与切换：
      • 用户线程的调度与切换
      • 内核线程的调度与切换
    • 终止：
      • 正常结束
      • 异常结束
      • 外界干扰