进程管理

一 、 进程与PCB

2.1 进程的基本概念
　　关于程序执行顺序

　　前趋图：

 

(1) 顺序性

处理机的操作严格按程序规定顺序执行
(2) 封闭性
程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素影响。
(3) 可再现性
程序执行只要初始条件一样，不论如何停顿，重复执行多少次结果都一样。

 

不可再现结果的并发无意义
失去封闭性：共享资源，资源状态由多道程序改变，程序运行失去封闭性。即程序运行受其他程序的影响。
结果不可再现性

程序：程序段 + 数据段

进程实体：程序段 + 数据段 + 控制块PCB

进程：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。

进程的特征
　　结构性特征，进程的根本——PCB
　　动态性
　　　　进程实质上是进程实体的一次有生命期的执行过程。程序只是静态的一组有序指令。
　　进程最基本特征
并发性
　　多个进程实体同存于内存中，在一段时间内同时运行。
　　有PCB的程序才能并发。
独立性
异步性

进程的基本状态
(1)就绪状态
进程获得除CPU之外的所有必需资源，一旦得到CPU控制权，可立即运行。
(2)运行状态
进程已获得所有运行必需的资源，正在处理机上执行。
(3)阻塞状态
正在执行的进程由于发生某事件（请求I/O、申请缓冲、时间片到）而暂时无法执行时，便放弃CPU后暂停

状态转化图：

 

进程控制块PCB
进程实体：代码段+数据段+PCB
进程控制块是进程存在的唯一标志：
进程创建时，PCB建立并伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。PCB就象我们的户口。

进程标识符信息
处理机状态信息
进程调度信息
进程控制信息
PCB的组织方式
　　链接方式
　　索引方式

2.2进程控制与同步
　　进程的创建
　　进程的终止
　　进程的阻塞与唤醒
　　进程的挂起和激活

2.3 进程同步

　　进程同步的主要任务： 使并发执行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性　　临界资源

　　临界资源

　　　　一次仅允许一个进程使用的资源

　　互斥：在操作系统中，当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，直到占用临界资源的进程退出临界区，我们称进程之间的这种相互制约关系为“互斥”。
　　同步：多个相互合作的进程，在一些关键点上可能需要互相等待或互相交换信息，这种相互制约关系称为进程同步关系。可理解为“有序”。

　　临界区

　　　　每个进程中访问临界资源的那段代码叫临界区。为了正确同步，对临界区的代码要增加控制

　　同步机制应遵循的规则
　　　　空闲让进：资源使用最基本原则
　　　　忙则等待：保证互斥
　　　　有限等待：合适时被唤醒防止死等
　　　　让权等待：能主动释放CPU防止忙等

　　同步控制的关键：判断”和”修改标志”操作

 

 

2-3 信号量机制
整型信号量：信号量定义为一个整型量；根据初始情况赋相应的值；仅能通过两个原子操作来访问。

　　P操作 wait(S):
　　　　While S<=0 do no-op;
　　　　S:=S-1;
　　V操作 signal(S):
　　　　S:=S+1;

记录型信号量：整型信号量符合“有限等待”原则；整型信号量不符合“让权等待”原则

　　P操作wait():
　　　　S.value = S.value - 1;
　　　　if S.value < 0 then block(S,L)
　　V操作signal()：
　　　　S.value = S.value + 1;
　　　　if S.value <= 0 then wakeup(S,L)

司机：
Repeat
P(s1);
离站；
行车；
到站；
V(s2);

Until false;

 

售票员：
Repeat
关车门；
V(s1);
售票；
P(s2);
开车门；
乘客上下车；
Until false;

 

2-4 经典同步问题

生产者—消费者问题

semaphore mutex=1; //临界区互斥信号量
semaphore empty=n; //空闲缓冲区
semaphore full=0; //缓冲区初始化为空
producer ()//生产者进程
{
while(1)
{
produce an item in nextp; //生产数据
P(empty); //获取空缓冲区单元
P(mutex); //进入临界区.
add nextp to buffer; //将数据放入缓冲区
V(mutex); //离开临界区,释放互斥信号量
V(full); //满缓冲区数加1
}
}

consumer ()//消费者进程
{
while(1)
{
P(full); //获取满缓冲区单元
P(mutex); // 进入临界区
remove an item from buffer; //从缓冲区中取出数据
V (mutex); //离开临界区，释放互斥信号量
V (empty) ; //空缓冲区数加1
consume the item; //消费数据
}
}

哲学家就餐问题

 

semaphore chopstick[5]={1，1，1，1，1};
semaphore room=4;
void philosopher(int i)
{
while(true)
{
think();
wait(room); //请求进入房间进餐
wait(chopstick[i]); //请求左手边的筷子
wait(chopstick[(i+1)%5]); //请求右手边的筷子
eat();
signal(chopstick[(i+1)%5]); //释放右手边的筷子
signal(chopstick[i]); //释放左手边的筷子
signal(room); //退出房间释放信号量room
}
} 

读者——写者问题

semaphore Wmutex, Rmutex = 1;
int Rcount = 0;
void reader() /*读者进程*/
{
      while(true)
      {
               P(Rmutex);
               if(Rcount == 0) P(wmutex);
               Rcount= Rcount + 1;
               V(Rmutex);
               ⋯⋯;
               read;/* 执行读操作 */
               ⋯⋯;
               P(Rmutex);
               Rcount= Rcount - 1;
               if(Rcount == 0) V(wmutex);
               V(Rmutex);
      }
}
void writer() /*写者进程*/
{
      while(true)
      {
               P(Wmutex);
               ⋯⋯;
               write;/* 执行写操作 */
               ⋯⋯;
               P(Wmutex);
      }
}