操作系统-第三章-进程

一、进程概念

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1.定义

• 操作系统执行各种程序
  • 批处理系统——作业(Job：被组装成一个整体运行的一组计算步骤)
  • 分时系统——用户程序或任务(Task：进程或线程)
• 进程
  • 执行中的程序
  • 进程的执行必须以顺序方式进行
  • 一个程序在一个数据集上的一次运行
    
    

2.内存中的进程

• 进程包括
  • 代码(Text)
  • 当前活动
    • 程序计数器(PC)——指向当前要执行的指令(地址)
    • 堆栈(Stack)——存放函数参数、临时变量等临时数据
    • 数据(Data)——全局变量，处理的文件
    • 堆(Heap)——动态内存分配
      
      

3.进程和程序

• 进程是程序的一个实例，是程序的一次执行
• 一个程序可对应一个或多个进程
• 一个进程可对应一个或多个程序
• 程序是进程的代码部分
• 进程是活动实体，程序静止(被动)实体
• 进程在内存，程序在外存

差别和联系

• 程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，它是一个静态的概念；进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态概念。
• 程序的存在是永久的，而进程则是有生命期的，它因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停，因撤销而消亡。
• 程序仅是指令的有序集合。而进程则由程序、数据和进程控制块组成。
• 在传统的操作系统中，进程是资源分配和调度运行的基本单位，而程序不是。
• 进程与程序之间不是一一对应的，即同一程序同时运行于若干不同的数据集合上，它将属于若干个不同的进程；而一个进程至少对应执行一个程序。
  
  

4.进程状态

• 新建：在创建进程
• 运行：指令在执行
• 等待：进程等待某些事件发生
• 就绪：进程等待分配处理器
  • 当发生中断时，CPU处理中断，中断是代码片，此时，n个进程最多有n个进程在就绪
• 终止：进程执行完毕
  
  
  

5.进程控制块(PCB)

• PCB包含同进程有关的信息
  • 进程状态
  • 程序计数器
  • CPU寄存器
  • CPU调度信息
  • 内存管理信息
  • 计账信息
  • I/O状态信息
• 组织方式
  • 线性
  • 链接
  • 索引
    
    

6.上下文切换

• 进程的并发执行需要PCB保存和恢复现场
  
  
  

二、进程操作

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1.进程创建

• 父进程创建一个子进程，如此轮流创建进程下去，构成一个进程树
• 系统内的每一个进程都有一个唯一进程标识符(pid)，可由它作为索引访问内核中的进程的各种属性
• 进程创建是原子操作
  • 不会被打断的操作
  • 一旦开始就一直运行到结束，中间不会有任何上下文切换
  • 必须要硬件的支持
  • 由若干条机器指令组成
• 资源共享模式
  • 1.父进程子进程共享所有的资源
  • 2.子进程共享父进程资源的子集
  • 3.父进程和子进程无资源共享
• 执行模式
  • 1.父进程和子进程并发执行
  • 2.父进程等待，直到子进程终止
• 地址空间模式
  • 1.子进程复制父进程的数据
  • 2.子进程加载另一个新程序
    
    

2.进程终止

• 进程执行最后一项并退出(exit)
  • 从子进程向父进程输出数据(通过wait)
  • 操作系统回收进程的资源
• 父进程可中止子进程的执行(abort)
  • 子进程超量分配资源
  • 赋予子进程的任务不再需要
  • 如果父进程结束
    • 若父进程终止，一些系统不允许子进程继续存在，其所有子进程终止(级联终止)
• 父进程可以等待子进程结束
  • 调用wait()系统调用
    
    

三、进程间通信(IPC)

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1.进程分类

• 独立进程：不会影响另一个进程的执行或被另一个进程执行影响
• 协同进程：可能影响另一个进程的执行或被另一个进程执行影响
• 进程协同的优点：
  • 信息共享
  • 加速运算
  • 模块化
  • 方便
    
    

2.进程间通信模型

• 用于进程通信的机制，同步其间的活动
• 两种基本模式：共享内存、消息传递
  
  
  

共享内存

• 一块内存在多个进程间共享
• 通信由应用程序自己控制
• 一般用于大数据通信
• 实现手段：
  • 文件映射
  • 管道
    
    
    

消息传递

• 消息传递在微内核中的应用
• 远程通信无法采用共享内存
• 两个操作：
  • 发送send(message)：固定或可变大小消息
  • 接收receicve(message)
• 若P与Q要通信，需要：
  • 建立通信连接
  • 通过send/receive交换消息
• 通信连接的实现
  • 物理的(如，共享存储，硬件总线)
  • 逻辑的(如，逻辑特性)
    • 直接或间接通信
    • 同步或异步通信
    • 自动或显式通信
• 直接通信
  • send(P,message)：向进程P发消息
  • receive(Q，message)：从进程Q收消息
  • 通信连接的特性：
    • 连接自动建立
    • 连接精确地与一对通信进程相关
    • 在每一对通信进程间存在一个连接
    • 连接可单向，但通常双向
• 间接通信
  • 消息导向至信箱并从信箱接收
    • 每一个信箱有一个唯一地ID
    • 仅当共享一个信箱时进程才能通信
  • 通信连接的特性
    • 仅当进程共有一个信箱时连接才能建立
    • 连接可同多个进程相关
    • 每一对进程可共享多个通信连接
    • 连接可是单向或多向的
  • 操作
    • 创建新的信箱(信箱可以为进程或系统拥有)
    • 通过信箱发送和接收消息
    • 销毁信箱
• 同步
  • 消息传递可阻塞或非阻塞
  • 阻塞(同步)：
    • 阻塞send：发送进程阻塞，直到消息被接收
    • 阻塞receive：接收者进程阻塞，直到有消息可用
  • 非阻塞(异步)：
    • 非阻塞send：发送进程发消息并继续操作
    • 非阻塞receive：接收者收到一个有效消息或无效消息
  • 不同组合的send()和receive都有可能
• 缓存
  • 通信进程交换的消息总是驻留在临时队列中
  • 队列的实现：
    • 零容量：队列的最大长度为0，因此，链路中不能有任何消息处于等待
    • 有限容量：队列长度为有限的n，因此，最多只能有n个消息驻留其中
    • 无限容量：队列长度可以无限，因此，不管多少消息都可在其中等待
  • 零容量情况称为无缓冲的消息系统，其他情况称为自动缓冲的消息系统