进程

由于共享系统资源，并发执行的程序之间形成相互制约的关系、进程为完成同一项任务而相互合作、进程在进入临界区之前，对欲访问的临界资源进行检查的代码。

进程

• 进程的描述
  • 定义
    • 进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  • 进程实体的组成
    • PCB
      • 系统感知进程存在的唯一标志
        • 进程描述信息
        • 进程控制和管理信息
        • 资源分配清单
        • 处理机相关信息
      • 组织方式
        • 线性方式
        • 链接方式
        • 索引方式
    • 程序段
      • 程序的代码（指令序列）
    • 数据段
      • 运行过程中产生的各种数据
  • 特征
    • 动态性
      • 进程的最基本特征
    • 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
      • 各进程以不可预知的速度向前推进，可能导致运行结果的不确定性
    • 并发性
• 进程控制
  • 基本概念
    • 进程控制就是要实现进程状态的转换
    • 进程控制用原语实现
      • 原语用关/开中断来实现
      • 原语是一种特殊的程序
      • 原语的执行必须一气呵成，不可中断
  • 相关原语
    • 进程的创建
      • 创建原语
        • 申请空白PCB
        • 为新进程分配所需资源
        • 初始化PCB
        • 将PCB插入就绪队列（创建态->就绪态）
      • 引起进程创建的事件
        • 用户登录
          • 分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新进程
        • 作业调度
          • 多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
        • 提供服务
          • 用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个精彩处理该请求
        • 应用请求
          • 由用户进程主动请求创建一个子进程
    • 进程的终止
      • 终止原语
        • 从PCB集合中找到终止进程的PCB
        • 若进程正在运行，立即剥夺CPU,将CPU分配给其他进程
        • 终止其所有子进程
        • 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
        • 删除PCB
      • 引起进程终止的事件
        • 正常结束
        • 异常结束
        • 外界干预
    • 进程的阻塞（主动行为）
      • 阻塞原语（运行态->阻塞态）
        • 找到要阻塞的进程对应的PCB
        • 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为”阻塞态“，暂时停止进程运行
        • 将PCB插入相应事件的等待队列
      • 引起进程阻塞的事件
        • 需要等待系统分配某种资源
        • 需要等待相互合作的其他进程完成工作
    • 进程的唤醒（被动行为）
      • 唤醒原语（阻塞态->就绪态）
        • 在事件等待队列中找到PCB
        • 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
        • 将PCB插入就绪队列，等待被调度
      • 引起进程唤醒的事件
        • 等待的事件发生，则由有关进程调用wakeup将该进程唤醒
    • 进程的切换
  • 操作系统内核
    • 支撑功能
      • 中断处理
      • 时钟处理
      • 原语处理
    • 资源管理功能
      • 进程管理
      • 存储器管理
      • 设备管理
• 进程同步
  • 两种形式的制约关系
    • 间接相互制约关系（互斥）
      • 由于共享系统资源，并发执行的程序之间形成相互制约的关系
    • 直接相互制约关系（同步）
      • 进程为完成同一项任务而相互合作
  • 临界区
    • 进入区
      • 进程在进入临界区之前，对欲访问的临界资源进行检查的代码
    • 临界区
      • 每个进程中访问临界资源的代码
    • 退出区
      • 用于将临界区正被访问的标志恢复为未被访问的标志
    • 剩余区
      • 除以上之外的代码
  • 同步机制遵循规则
    • 空闲让进
    • 忙则等待
    • 有限等待
    • 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，以免陷入“忙等”状态
  • 硬件同步机制
    • 中断屏蔽方法
      • 使用“开\关中断”指令实现
      • 优点：简单高效
      • 缺点：只适用于单处理机；只适用于操作系统内核进程
    • Test-and-Set
      • 优点：实现简单，适用于多处理机环境
      • 缺点：不满足“让权等待”
    • Swap指令（同上）
  • 信号量机制
    • 实现进程互斥
      • 分析问题，确定临界区
      • 设置互斥信号量，初值为1
      • 临界区之前对信号量执行P操作
      • 临界区之后对信号量执行V操作
    • 实现进程同步
      • 分析问题，找出哪里需要实现“一前一后”的同步关系
      • 设置同步信号量，初始值一般为0（根据情况而定）
      • 在前操作之后执行V操作
      • 在后操作之前执行P操作
    • 实现进程的前驱关系
      • 分析问题，画出前驱图，把每一对前驱关系都看成一个同步问题
      • 为每一对前驱关系设置同步信号量，初始值为0
      • 在每个前操作之后执行V操作
      • 在每个后操作之前执行P存在
  • 管程机制
    • 为什么引入管程
      • 解决信号量机制编程麻烦、易出错的问题
    • 组成
      • 管程的名称
      • 局部于管程的共享数据结构的说明
      • 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
    • 基本特征
      • 各外部进程/线程只能通过管程提供的特定入口才能访问共享数据
      • 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程
• 进程的通信
  • 共享存储
    • 设置一个共享空间
    • 要互斥访问共享空间
    • 两种方式
      • 基于数据结构（低级）
      • 基于存储区的共享（高级）
  • 管道通信
    • 设置一个特殊的共享文件（管道），其实就是一个缓冲区
    • 一个管道只能实现半双工通信
    • 实现双向同时通信要建立两个管道
    • 各进程要互斥访问管道
    • 没写满，不能读。没读空，不能写
  • 消息传递
    • 传递结构化的消息
    • 系统提供“发送/接受原语”
    • 两种方式
      • 直接通信方式
        • 消息直接挂到接收方的消息队列里
      • 间接通信方式（信箱）
        • 消息先发到中间体（信箱）
• 线程
  • 引入线程带来的变化
    • 资源分配、调度
      • 传统进程机制中，进程是资源分配、调度的基本单位
      • 引入线程，进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
    • 并发性
      • 传统进程机制中，只能进程间并发
      • 引入线程后，各线程间也能并发，提高了并发度
    • 系统开销
      • 传统的进程间并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大
      • 线程间并发，如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小
  • 线程的属性
    • 线程是处理机调度的单位
    • 多CPU计算机中，各个线程可占用不同CPU
    • 每个线程都有一个线程ID、线程控制块TCB
    • 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
    • 线程几乎不拥有系统资源
    • 同一进程的不同线程共享进程资源
    • 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
    • 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
    • 不同一进程中的线程切换，会引起进程切换