6 进程管理

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进程（Process）描述

  1. 定义：一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的动态执行过程

  2. 组成：

    • 程序代码（Code）
    • 程序处理的数据 （Data）
    • 程序计数器中的值，指示下一条将运行的指令
    • 一组通用寄存器当前的值，堆、栈
    • 一组系统资源（文件系统、内存、网络等）

  3. 程序 vs 进程

    • 联系：

      • 程序是进程的基础，进程是程序功能的体现
      • 程序的每次运行对应于不同的进程
      • 一个程序可以通过多次执行，对应多个进程；进程可以通过相互调用，对应多个程序

    • 区别：

      • 程序是静态的有序代码集合，进程是程序的动态执行，进程有核心态（通过调用OS接口，如打开文件）和用户态

      • 进程是暂时的，程序是永久的

      • 进程包括程序、数据和进程控制块PCB（Process Control Block，即进程状态信息）

        OS为每个进程创建了一个PCB，用来保存与该进程相关的状态信息

进程特点

  1. 动态性：进程可动态的创建和结束
  2. 并发性：进程可独立地被调度运行并占用处理机
  3. 独立性：不同进程间的工作互不影响（每次运行的结果应该都是正确的）
  4. 制约性：因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约性

进程控制结构

  1. PCB组成
    • 进程标识信息：本进程标识，父进程标识，用户标识
    • 处理器状态信息（保持进程运行现场信息）
      • 用户可见寄存器：用户程序可用的数据、地址等寄存器
      • 控制和状态寄存器，如程序计数器，程序状态字（PSW）
      • 栈指针，过程调用/系统调用/中断处理和返回时需要用到
    • 进程控制信息
      • 调度和状态信息。用于OS调度进程并占用处理器使用
      • 进程间通信信息。与支持进程间的通信相关的各种标识、信号、信件等，这些信息存在接收方PCB中
      • 存储管理信息。包含执行本进程映像存储空间（内存块）的数据结构
      • 进程所用资源。说明由进程打开、使用的系统资源，如打开的文件
      • 有关数据结构连接信息。进程可以连接到一个进程队列中，或连接到相关其他进程的PCB
  2. PCB组织过程
    • 链表：同一状态的进程PCB组成一个链表，多个状态对应多个不同的链表（如就绪链表、阻塞链表）
    • 索引：同一状态进程归入一个索引表，多个状态对应多个不同的索引表（如就绪索引表、阻塞索引表）

进程状态

进程生命周期管理

  1. 进程开始（状态：Start ⇒ Ready）
    • 原因：
      • 系统初始化时
      • 用户请求创建进程
      • 正在运行的进程执行了进程创建的系统调用
  2. 进程运行（状态：Ready ⇒ Running）
    • 为何选择Ready进程？
    • 如何选择？
  3. 进程等待（阻塞）（状态：Running ⇒ Blocked)
    • 原因：
      • 请求并等待系统服务，无法马上完成（如打开文件）
      • 启动某种操作，无法马上完成（如需要依赖于另一个进程完成）
      • 需要的数据没有到达
    • 进程等待只能由进程自身发起，因为只有进程自身知道何时需要等待
  4. 进程唤醒（状态：Blocked ⇒ Ready）
    • 原因：
      • 被阻塞进程获得所需要的资源
      • 被阻塞进程等待的事件到达
      • 将该进程PCB插入Ready队列
    • 进程自身处于等待状态，所以只能由其他进程或OS唤醒
  5. 进程结束（状态：Running ⇒ Done)
    • 原因
      • 正常退出（自愿）
      • 错误退出（自愿）
      • 致命错误（强制性，OS杀死），如进程试图访问其他进程的页帧
      • 被其他进程杀死（强制性），如某些系统管理进程判断该进程占用过多系统资源，可能破坏系统稳定性，故杀死

进程状态变化模型

  1. 三种基本状态：进程在生命结束前的三种基本状态
    • 运行状态（Running）：一个进程正在CPU上运行
    • 就绪状态（Ready）：进程得到了除CPU外的一切所需资源，等得到CPU即可执行
    • 等待/阻塞状态（Blocked）：进程等待某一事件/资源而暂停执行
  2. 其他基本状态
    • 创建状态（New）：一个进程正在被创建，还没转入就绪态之前的状态
    • 结束状态（Exit）：一个进程正从系统中消失的状态，但还没完全消失，PCB还存在
  3. 状态转换图
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  4. 几种状态转换
    • NULL ⇒ New：新进程的PCB被创建出来
    • New ⇒ Ready：新进程完成初始化后，获得除CPU外的一切其他资源，进入Ready队列等待CPU调度
    • Ready ⇒ Running：进程被CPU调度运行
    • Running ⇒ Exit：进程已完成或发生错误退出
    • Running ⇒ Blocked：进程等待某些事件完成，或等待资源就绪（如等待文件读写完成）
    • Running ⇒ Ready：进程用完OS分配的CPU时间片，进入Ready状态，等待后续CPU的调度（程序并发时，每个进程轮流运行一段时间片）
    • Blocked ⇒ Ready：进程等待的某事件到来

进程挂起

  1. 含义：进程处于挂起状态时，不占用物理内存。进程映像（通过swap out）存放在外存。

  2. 挂起状态

  • 阻塞挂起状态（Blocked-suspended）：进程在外存中等待某事件的出现
  • 就绪挂起状态（Ready-suspended）：进程在外存，只要进入内存，即可运行

  1. 状态转换

    • 内存 ⇒ 外存
      • 阻塞 ⇒ 阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪进程需要更多资源时，会进行这种转换，以提交新进程或运行就绪进程
      • 就绪 ⇒ 就绪挂起：当有高优先级阻塞进程（系统认为很快会就绪的）和低优先级就绪进程时，OS会选择挂起低优先级进程（如果没有定义优先级，一般阻塞进程优先级低于就绪进程，所以一般OS会先挂起阻塞进程）
      • 运行 ⇒ 就绪挂起：对于抢先分时系统，当有高优先级阻塞进程等待的事件发生而进入就绪挂起时，OS可能挂起运行中的低优先级进程
    • 外存中的状态转换
      • 阻塞挂起 ⇒ 就绪挂起：处于阻塞挂起的进程获得所需的资源后，进入就绪挂起状态，但仍存储在外存中

  2. 解挂/激活（Activate）：一个挂起的进程从外存回到内存

    • 就绪挂起 ⇒ 就绪：当没有就绪进程或就绪进程优先级低于挂起的就绪进程时发生
    • 阻塞挂起 ⇒ 阻塞：当系统物理内存足够时，系统会把一个高优先级阻塞挂起进程（OS认为其等待的事件很快会发生）转换为阻塞进程

  3. 状态队列

    问题：OS 如何通过PCB和进程状态管理进程？

    1. OS系统维护一组队列，用来表示系统当中所有进程的当前状态
    2. 不同状态用不同队列表示，如阻塞队列、就绪队列等（可能还会按优先级细分）
    3. 不同队列存放到不同进程的PCB；当进程状态改变时，则将其PCB从原队列取出放到相应的队列中

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线程（Thread）

为什么需要线程？

  1. 单进程的顺序执行可能导致程序性能受限于进程中的某个部分（如文件读写）

  2. 将单进程拆解为多进程，则需要考虑 ①进程间的通信、资源共享；②OS维护进程的开销增大（创建进程需要分配资源、创建PCB；结束进程需释放资源、清除PCB；进程切换需要保存进程状态信息）

  3. 需要创建这样一个实体：①实体间可以并发执行 ②实体间共享地址空间

什么是线程？

  1. 线程是进程中的一条执行流程

  2. 进程 = 资源管理 + 线程
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  3. 优点：（性能）

    • 一个进程中可以存在多个线程，多线程可以并发地执行
    • 各线程共享地址空间和文件等资源

  4. 缺点：（安全）

    • 安全可靠性下降，一个线程崩溃，会导致其所属进程的全部线程崩溃
    • 线程共享代码、数据、文件，不共享堆栈和寄存器
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  5. 线程与进程的比较

    • 线程同样具有就绪、阻塞、运行三种基本状态，以及状态间的转换关系
    • 进程是资源分配单位，线程是CPU调度单位
    • 进程拥有完整的资源平台，而线程只独享必要的资源（如寄存器、堆栈）
    • 线程能减少并发执行的时间和空间开销
      • 线程创建、终止的时间比进程短（因为不需要考虑内存管理、文件释放等）
      • 同一进程内的线程切换比进程切换时间短（因为不需要切换页表等）
      • 同一进程内的各个线程共享内存和文件等资源，通信不需要经过内核

线程的实现

  1. 用户线程（在用户空间实现）

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    • 用于Posix Pthreads、Mach C-threads、Solaris Threads
    • 不依赖系统内核，通过用户级线程库函数进行管理，包括线程创建、终止、同步、调度等。OS意识不到线程存在
    • 优点：
      • 可用于不支持线程技术的单进程系统
      • 用户态切换通过线程库函数实现，不需要经过内核，所以速度很快
      • 允许每个进程有自己的线程调度算法
      • 每个线程需要有自己的线程控制块（TCB）列表，用来跟踪每个线程的状态信息（PC、栈指针、寄存器等），TCB由线程库函数维护
    • 缺点：
      • 当线程发起阻塞性系统调用时，整个进程都会进入阻塞状态
      • 当一个线程开始运行后，除非它主动交出CPU使用权，否则进程内的其他线程无法运行（用户态线程库没有打断线程运行的特权，而OS可以通过管理中断（如时钟中断），强制切换到其他线程）
      • 由于时间片分配到进程，所以与其他线程相比，多线程执行时，分配到每个线程的时间片较小，执行较慢

  2. 内核线程（在内核中实现）

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    • 用于Windows、Solaris、Linux
    • 由内核维护线程和上下文信息
    • 线程的创建、终止、切换均由系统调用/内核函数方式进行，由内核完成，系统开销较大
    • 优点：
      • 若某内核线程发起系统调用而阻塞，不会影响进程内其他线程的执行
      • 时间片分配给线程，进程获得更多时间片

  3. 轻量级线程（内核中实现，支持用户线程）

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    • 用于Solaris
    • 内核支持的用户线程（UT），一个进程可以包含多个轻量级进程（LWP），每个LWP由一个单独的内核线程KT管理

  4. 用户线程与内核线程对应关系

    • 多对一 (n to 1)
    • 一对一 (1 to 1)
    • 多对多（n to m)

上下文切换

  1. 含义：停止当前运行的进程，暂时切换到其他进程的过程
    • 切换之前存储很多的进程上下文
    • 应能够恢复原来的状态，进程不能显示其曾被暂停过
    • 切换必须快速（因为上下文切换是很频繁的）
  2. 需要保存的信息：PC（程序计数器）、SP（栈指针）、CPU状态等

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posted @ 2022-02-16 14:11  DreamEagle  阅读(45)  评论(0)  编辑  收藏  举报