操作系统-4-进程管理(一)
一、进程的基本概念
1 程序的顺序执行与并发执行
(1)前驱图
概念：前驱图是一个有向无循环图，记为DAG，可用于描述进程之间执行的前后关系。无循环关系可实现顺序执行。
结点：一个程序段、进程或一条语句；
有向边：两个结点之间的前趋关系；
重量：结点所含有的程序量或执行时间；
直接前驱、直接后继、开始结点、终止结点
以上前趋图，存在的前趋关系：P1→P2，P1→P3，P1→P4，P2→P5，P3→P5，P4→P6，P4→P7，P5→P8，P6→P8，P7→P9，P8→P9；
或表示为：Ｐ={P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9} →={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4), (P2,P5),(P3,P5),(P4,P6), (P4,P7),(P5,P8),(P6,P8), (P7,P9),(P8,P9)}
注意：前趋图中必须不存在循环。如下图不是前趋图：
(2)程序的顺序执行
程序的顺序执行如图：
在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。一道程序执行完后另一道才能开始。
特征：顺序性：一个程序开始执行必须要等到前一个程序已执行完成。
封闭性：程序运行时独占计算机资源，资源的状态只能由本程序修改。程序一旦开始执行，其计算结果不受外界因素影响。
可再现性：程序的结果与它的执行速度无关（即与时间无关），只要给定相同的输入，一定会得到相同的结果。
程序顺序执行处理器利用率举例：
(3)程序的并发执行
概念:所谓程序的并发执行是指：若干个程序同时在系统中执行，这些程序的执行在时间上是重叠的，一个程序的执行尚未结束，另一个程序的执行已经开始。
特征：间断性
失去程序的封闭性：程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的资源，因此这些资源的状态将由多个程序来改变。
不可再现性
2 进程的定义
定义：进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程。进程是指进程实体的运行过程。
性质：进程是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动。进程是指进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的独立单位
进程同程序的比较：程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个动态的概念。
程序是静态的，进程是动态的；
程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。程序是永久的，进程是暂时的；
进程更能真实地描述并发，而程序不能；
进程是由程序和数据、进程控制块PCB三部分组成的；
进程具有创建其他进程的功能，而程序没有；
同一程序同时运行于若干个数据集合上，它将属于若干个不同的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程 ；
3 进程的特征
结构性：由程序（段）、数据（段）、进程控制块（PCB）三部分组成；
动态性：进程是程序的执行过程；
并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时间内同时运行；
独立性：独立运行的基本单位，独立获得资源和调度的基本单位；
异步性：各进程按各自独立的不可预知的速度向前推进。
4 进程的状态及转换
概念：不同系统设置的进程状态数目不同，进程有三种基本状态，进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一。
进程的三种基本状态：
就绪状态（Ready）：存在于处理机调度队列中的所有进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行。这些进程所处的状态为就绪状态。
就绪队列：处于就绪状态的进程按一定的策略排队，同一时刻可有多个就绪队列。
运行状态（Running）：正在运行的进程所处的状态为运行状态。单处理机系统只有一个进程处于该状态，多处理机系统有多个进程处于运行状态
等待/阻塞/睡眠/封锁状态（Wait/Blocked）：若一进程正在等待某一事件发生（如等待输入输出工作完成），
这时，即使给它CPU，它也无法运行，称该进程处于等待状态（阻塞、 睡眠、封锁状态）。
阻塞队列：根据阻塞原因可以设置多个队列。
进程的状态变迁图：
如果系统中有N个进程，运行的进程最多1个，最少1个；就绪进程最多N-1个最少1个；等待进程最多N-2个，最少0个；
进程的五状态模型
新建态：对应进程刚被创建的状态。为一个新进程创建必要的管理信息，它并没有被提交执行，而是在等待操作系统完成创建进程的必要操作。
终止态：等待操作系统进行善后，然后，退出主存。
进入终止态的进程不再执行，但依然临时保留在系统中等待善后。一旦其他进程完成了对终止态进程的信息抽取之后，系统将删除该进程。
进程状态转换的具体原因：NULL→新建态：创建一个子进程。
新建态→就绪态：系统完成了进程创建操作，且当前系统的性能和内存的容量均允许。
运行态→终止态：一个进程到达自然结束点，或出现了无法克服的错误，或被操作系统所终结，或被其他有终止权的进程所终结。
终止态→NULL：完成善后操作。
就绪态→终止态：某些操作系统允许父进程终结子进程。
等待态→终止态：某些操作系统允许父进程终结子进程。
进程的七状态模型
挂起就绪态（ready suspend）：进程具备运行条件但目前在二级存储器中，当它被对换到主存才能被调度执行。
挂起等待态（blocked suspend）：进程正在等待某一个事件且在二级存储器中。
引入挂起状态的原因：终端用户的请求：挂起某些可疑进程。
父进程请求：父进程需挂起某子进程。
负荷调节的需要：实时系统中挂起某些不重要的进程。
操作系统的需要：OS挂起某些进程，以便检查资源的使用情况等。
具有挂起状态的状态转换：等待态→挂起等待态：当前不存在就绪进程，至少一个等待态进程将被对换出去成为挂起等待态；
挂起等待态→挂起就绪态：引起进程等待的事件发生之后，相应的挂起等待态进程将转换为挂起就绪态。
挂起就绪态→就绪态：内存中没有就绪态进程，或挂起就绪态进程具有比就绪态进程更高的优先级，将把挂起就绪态进程转换成就绪态。
就绪态→挂起就绪态：系统根据当前资源状况和性能要求，决定把就绪态进程对换出去成为挂起就绪态。
挂起进程具有如下特征：该进程不能立即被执行。
挂起进程可能会等待事件，但所等待事件是独立于挂起条件的，事件结束并不能导致进程具备执行条件。
进程进入挂起状态是由于操作系统、父进程或进程本身阻止它的运行。
结束进程挂起状态的命令只能通过操作系统或父进程发出。
5 进程控制块（PCB）
概念：为了描述一个进程和其它进程以及系统资源的关系，为了刻画一个进程在各个不同时期所处的状态，采用了一个与进程相联系的数据结构，称为进程控制块。
PCB是OS中最重要的记录型数据结构。
功能：将一个不能独立运行的程序变成一个可以独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。
特征：OS利用PCB来对并发执行的进程进行控制和管理，PCB是OS感知进程存在的唯一标志。
进程与PCB是一一对应的。
PCB随进程创建而建立，随进程结束而回收。
PCB应常驻内存。
内容：
进程描述信息：进程标识符(process ID)：唯一，通常是一个整数
进程名：通常基于可执行文件名（不唯一）
用户标识符(user ID)：进程组关系
进程控制信息：当前状态
优先级(priority)
代码执行入口地址
程序的外存地址
运行统计信息（执行时间、页面调度）
进程间同步和通信；阻塞原因
进程的队列指针
进程的消息队列指针
所拥有的资源和使用情况：虚拟地址空间的现状、打开文件列表
CPU现场保护信息：寄存器值（通用、程序计数器PC、状态字PSW，地址包括栈指针）、指向赋予该进程的段/页表的指针
PCB表组织方式：系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，就构成了PCB表。
PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度。
链接结构：相同状态的进程PCB组成一个链表，不同状态对应多个不同的链表。就绪链表、阻塞链表
索引结构：对具有相同状态的进程，分别设置各自的PCB索引表，表明PCB在PCB表中的地址。
二、进程控制
1.概念：进程控制指对系统中的所有进程实施管理。
如：创建一个新进程；
终止一个已完成的进程；
终止一个因某事件而使其无法运行下去的进程；
进程运行中状态的转换
…
进程控制一般由OS的内核来实现。
2.OS的内核的功能：不同OS的内核包括功能不同，但都包括：支撑功能
中断处理：内核最基本的功能。如:系统调用 进程调度等
时钟管理：
原语操作：实现进程通信和控制。
资源管理功能：进程管理、存储器管理、设备管理
3.原语
概念：由多条指令组成，是一种特殊的系统功能调用，它可以完成一个特定的功能。
特点：执行时不可中断
不可并发
在管态下执行，常驻内存
常用的进程控制原语：创建原语 Create
终止原语 Destroy
阻塞原语Block、唤醒原语Wakeup
挂起原语Suspend、激活原语Active
4.进程的创建流程：申请空白PCB
为新进程分配资源 如内存
初始化PCB
将新进程插入就绪队列
5.进程的终止流程：根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB；
若被终止进程处于执行状态，应立即终止执行，并置调度标志为真，调度其他进程；
结束该进程所有子孙进程的执行，以防止成为不可控进程；
将进程所拥有的资源交给父进程或系统进程；
释放PCB 。
6.进程终止的事件：正常结束
异常结束：越界错误、保护错、特权指令错、非法指令错、I/0故障、运行超时、等待超时、算术运算错等
外界干预: 操作员或OS干预；父进程请求；父进程终止，子孙进程被终止。
7.进程的阻塞与唤醒：
阻塞：当一个进程所期待的某一事件尚未出现时，该进程调用阻塞原语将自己阻塞。进程阻塞是进程自身的一种主动行为。
唤醒：处于阻塞状态的进程是绝不可能叫醒它自己的，必须由它的合作进程用唤醒原语唤醒它。
进程阻塞或唤醒的原因：请求系统服务：如请求打印机
启动某种操作：如I/O操作
新数据还未到达：合作进程之间需要数据传递
无新工作可做：如发送进程发送完数据后
8.进程的挂起与激活：
挂起：当出现了引起进程挂起的事件时，系统利用挂起原语将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起。
激活：当发生激活进程的事件时，系统利用激活原语将指定进程激活。
进程挂起的事件：用户进程请求将自己挂起；
父进程请求挂起某个子进程；
系统利用挂起原语将指定进程或阻塞态进程挂起
进程激活的事件：父进程请求激活某进程；
用户进程请求激活某进程；
三、线程
定义：是进程中的一个实体，是被系统独立调度的基本单位。
1 引入线程概述
引入进程的目的是为了使多个程序更好的并发执行，改善资源利用率、提高系统效率。
引入线程则是为了减少并发执行时所付出的时空开销，使并发粒度更细、并发性更好。
进程的两个属性：进程是一个资源分配的基本单位。进程是一个可独立调度和分派的基本单位。
从进程方面解释引入线程：进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中，系统必须为之付出较大时空开销。
所以系统中进程的数量不宜过多，进程切换的频率不宜过高，但这也就限制了并发程度的进一步提高。
将进程的上述两个属性分开，线程作为调度的基本单位，不同时作为独立分配资源的单位；
线程会被频繁调度和切换。进程作为拥有资源的单位，不进行频繁切换。线程因而产生。
特征：结构性：TCB：标识、现场信息(寄存器、PC、栈指针)、调度信息(状态、优先级)
数据块：过程参数、数据、系统与用户堆栈
并发性：同一进程中的各线程在同一主存空间，可以共享进程中的所有资源（数据、设备、文件），线程间通信方便。
共享性：同一进程的各线程
动态性：有生命期，有状态变化，可创建子线程
性质：在引入线程的OS中，线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。
线程自己基本不拥有系统资源，只拥有少量必不可少的资源：程序计数器PC、一组寄存器、栈。
线程可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源。
一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进程中的多个线程之间可以并发执行。
系统调度的基本单位是线程而不是进程,每当创建一个进程时，至少要同时为该进程创建一个线程，否则该进程无法被调度执行。
单线程进程的内存布局和运行：
管理和执行相分离的进程模型：
引入线程的好处：创建一个新线程花费时间少
线程的终止时间比进程短；
同进程内的线程切换时间比进程短；
因为同一进程内的线程共享内存和文件，因此它们之间相互通信无须调用内核
适合多处理机系统
线程的属性：轻型实体:基本不拥有资源
独立调度的基本单位
可以并发执行
共享进程资源
线程的状态：线程状态：运行、就绪和阻塞三种状态。线程的状态转换类似于进程。
挂起状态对线程是没有意义的，如果进程挂起后被对换出主存，则它的所有线程因共享了进程的地址空间，也必须全部对换出去。
线程的两种阻塞方式：阻塞进程方式：对某些线程实现机制，当线程被阻塞时，所在进程也转换为阻塞态，即使这个进程存在另一个处于就绪态的线程。
阻塞线程方式：如果存在另外一个处于就绪态的线程，则调度该线程进入运行状态，否则进程才转换为阻塞态。
线程的管理：线程包：多线程技术利用线程包(库)提供线程原语集来支持多线程运行
线程包（库）可分成两种：用户空间中运行的线程包（库）
内核中运行的线程包（库）
线程包（库）提供一组API，支持应用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。如：创建、撤销、改变优先级等。
有的操作系统直接支持多线程，而有的操作系统不支持多线程。
2 线程与进程的比较
概述：线程具有进程的许多特征，在引入线程的OS中，每一进程都拥有至少一个线程。
(1)调度：传统OS中，拥有资源、独立调度的基本单位是进程；引入线程的系统中，线程是调度和分派的基本单位，而进程是拥有资源的基本单位。
在同一个进程内线程切换不会产生进程切换，由一个进程内的线程切换到另一个进程内的线程时，将会引起进程切换。
(2)并发性:在引入线程的系统中，进程之间可并发，同一进程内的各线程之间也能并发执行。因而系统具有更好的并发性。
(3)拥有资源:无论是传统OS，还是引入线程的OS，进程都是拥有资源的独立单位，线程一般不拥有系统资源，但它可以访问隶属进程的资源。
即一个进程的所有资源可供进程内的所有线程共享。
(4)系统开销：进程创建和撤消的开销远大于线程创建和撤消的开销，进程切换时，当前进程的CPU环境要保存，新进程的CPU环境要设置，
线程切换时只须保存和设置少量寄存器，并不涉及存储管理方面的操作，因此进程切换的开销远大于线程切换的开销。
同一进程内的各线程由于它们拥有相同的地址空间，它们之间的同步和通信的实现也比较容易。
进程与线程的关系：
3 用户级线程和内核级线程
OS对线程的实现机制：从实现的角度看，线程可分为三种：用户级线程ULT（User Level Thread）如: JAVA，Informix
核心级线程KLT （Kernal Level Thread）如：Win2k/XP、OS/2
混合式线程 如：Solaris
内核级线程KLT：依赖于内核，即无论是用户进程中的线程，还是系统进程中的线程，它们的创建、撤消、切换都由内核实现。Windows NT和OS/2支持内核线程；
性质：所有线程管理由核心完成
核心维护进程和线程的上下文
线程之间的切换需要核心支持
以线程为基础进行调度
时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间。
一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他线程的运行。
优点：对多处理器，核心可同时调度同一进程的多个线程；
阻塞是在线程一级完成。即进程中的一个线程被阻塞了，内核能调度同一进程的其它线程占有处理器运行。
缺点：应用程序线程在用户态运行，线程管理与调度是在核心态，同一进程内的线程频繁切换时，调用内核，线程切换时要做模式切换，导致速度下降
用户级线程ULT：这种线程的创建、撤消和切换，都不用系统调用来实现，ULT与内核无关。
应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。
性质：由应用程序完成所有线程的管理：通过线程库(用户空间)：一组管理线程的函数
线程库提供一个线程运行管理系统（运行系统）
核心不知道线程的存在
线程切换不需要核心态特权
调度是应用程序特定的
用户线程调度算法可针对应用优化；
线程库：线程包(库)提供一组API，支持应用程序创建、调度、撤销和管理线程的运行。
作用：创建、撤消线程
在线程之间传递消息和数据
调度线程执行
保护和恢复线程上下文
线程库可分成两种：用户空间中运行的线程包(库)
内核中运行的线程包(库)。
线程库实质上是多线程应用程序的开发和运行支撑环境。每个线程库应提供给用户级的API编程使用。
多线程的操作系统和语言都提供了线程库，支持应用程序创建、调度、和管理用户级线程的运行。
优点：线程切换是线程库在用户态进行，不调用核心
调度是应用程序特定的：可以选择最好的算法
ULT可运行在任何操作系统上（只需要线程库），可在一个不支持线程的OS上实现
缺点：线程执行系统调用时，不仅该线程被阻塞，且进程内的所有线程会被阻塞(KLT不会)。
纯ULT中，多线程应用不能利用多重处理的优点。内核给一个进程仅分配一个CPU（不知道进程中有线程），进程中仅有一个线程能执行。
(即同一进程中的两个线程不能同时运行于两个处理器上)
用户级和核心级线程区别图：
进程同步、管程机制、进程通信等内容请阅读操作系统-5-进程管理(二)
