操作系统 | 2.1 多进程图像

哈工大，李治军老师，操作系统公开课

1. CPU管理的直观想法

要想管理CPU，首先要知道怎么使用CPU

(1) CPU的工作原理

核心：取值执行

CPU是怎样工作的？
- CPU工作的核心，就是取值执行。即PC指针从内存里取出一条指令然后执行，再把取值指针自动加一，再取值执行，如此循环往复。
CPU怎么开始工作？
- 由于PC指针是自动累加的，因此，只需要设置好PC的初值就可以了。

(2) 只设置PC初值，然后让计算机自己执行，会有问题吗？

看看下面代码有什么问题，要怎么解决？

1_1_图35

fprintf是I/O指令，由于要操作磁臂（机械），所以执行速度较慢，在执行I/O指令时，CPU等待不做任何工作；
i++;是计算指令，直接在电路上工作，在CPU直接计算。
结论：根据图片可以发现 —— 执行一条I/O指令的时间，几乎可以执行100万条计算指令。

假如代码中，平均每20条计算指令，有一条I/O指令。那么，CPU的利用率几乎为0。但是CPU资源极其珍贵，怎么提高利用率呢？

<1> 提过CPU利用率

主要思想：当一个程序进入I/O指令时，CPU就跳到另一个程序执行。
多道程序、交替执行

<2> 一个CPU上交替的执行多个程序：并发

1_1_图38

问题：切出去好办，把PC指针指向另外一个程序即可。但是，切回来时，怎么办？？？？？

在上面例子中，思考上面提出的问题：
- 程序一执行到52，此时，ax=1+1=2, bx=1
- 跳转到程序二，执行到202；此时， ax=10+10=20, bx=10。
- 再跳转到程序一，执行53。
- 问题来了：ax和bx的值都已经改变了，怎么办呢？？？
每一个程序都有一个存放信息的结构PCB
- PCB存放了当前程序的信息，CPU切回来之后，通过PCB修改寄存器的状态。

<3> 引入进程

我们已经说到，静态的程序和运行中的程序是不一样的。
- 静态的程序不需要记录状态，不需要PCB；
- 执行的程序必须记录状态，需要PCB。
那么，我们就需要一个东西来区分静态的程序和运行中的程序。
- 进程：进行（执行）中的程序
- 进程有开始，有结束；而程序没有
- 进程会走走停停，走停堆程序无意义
- 进程需要记录ax, bx, ...，程序不用
- ...

2. 多进程图像

为了让CPU高效的工作，需要让CPU跑多个进程，交替执行。这就是多进程图像

(1) 多进程图像引入

<1> 多进程图像引入

1_1_图40

系统中有三个进程，PID就是进程号
每一个进程都有一个PCB。（PCB:Process Control Block 进程控制块）

<2> 多进程图像从启动开始到关机结束

1_1_图41

(2) 多进程如何组织

1_1_图42

多进程的组织：PCB+状态+队列

<1> 状态转移图

这里不再详细展开

<2> 多进程如何交替

交替的三部分：队列操作+调度+切换

- 当程序A执行遇到I/O操作时，在当前的PCB中，将其状态转换为阻塞态，然后将其放在阻塞队列中；
- 执行schedule()函数（后面详细学习）
  - 简单说，在schedule()函数内：
  - 从就绪队列中取出一个进程。（取哪个进程，就是调度算法）
  - 将执行的当前进程切换为为新取出来的进程。
简单说调度
- FIFO（先进先出，按序排队）
  - FIFO显然是公平的策略
  - FIFO显然没有考虑进程执行的任务的区别
- Priority（优先级）
  - 优先级应该怎么定？可能使某些进程饥饿
简单说切换
- 先将当前CPU中寄存器的状态保存到当前进程的PCB中；
- 再将要切换进程的PCB中的寄存器状态赋值到CPU寄存器中。
- 必须使用汇编。

<3> 多进程之间如何影响

多个进程都处于用户态，在程序使用内存怎么保证不会冲突？

怎么避免以下问题？
- 进程1中的代码，要把10100b赋值给ax，然后由ax赋值到内存地址为100的地方；
- 但是，内存地址100的地方，是进程2的代码。假如成功赋值的话，程序2会崩溃。
解决办法：地址空间分离
- 在这里，100只是逻辑地址，并不是真正的物理地址；
- 虽然在两个进程中，都对地址100进行访问，但是通过映射表，对应的真实物理内存并不是同一个地方。

假如说真的要访问同一块地址（物理地址），进程之间怎么合作呢？

<4> 多进程之间如何合作

生产者消费者
- 生产者消费者实例：
  - 生产者进程：往共享内存中写入数据。（如果满了，死循环；不满的话，可以写入数据，写完counter加1）
  - 消费者进程：从共享内容中取出数据。（如果为空，死循环；不空的话，可以取；取完counter减1）
  - 两个进程都要修改counter
- 一种可能的情况
  - 在这个可能的执行序列中，存在有下面问题：
  - 步骤1（此时是生产者进程）：将counter=5赋值给P.register
  - 步骤2（此时是生产者进程）：将P.register+1=6赋值给P.register
  - 进程切换
  - 步骤3（此时是消费者进程）：将counter=5赋值给C.register
  - 步骤4（此时是消费者进程）：将C.register-1=4赋值给C.register
  - 进程切换
  - 步骤5（此时是生产者进程）：将P.register=6赋值给counter
  - 步骤6（此时是消费者进程）：将C.register=4赋值给counter
  - 最终结果：counter=4。造成错误！！！
进程同步：(例子：给生产者消费者加锁)
- 加锁之后的流程图
  - 步骤1（此时是生产者进程）：检查到没有锁；然后给counter上锁
  - 步骤2（此时是生产者进程）：将counter=5赋值给P.register
  - 步骤3（此时是生产者进程）：将P.register+1=6赋值给P.register
  - 步骤4（此时是消费者进程）：检查counter锁，有锁，不执行消费者进程
  - 步骤5（此时是生产者进程）：将P.register=6赋值给counter
  - 步骤6（此时是生产者进程）：给counter开锁
  - 步骤7（此时是消费者进程）：检查到没有锁；给counter上锁
  - 步骤8（此时是消费者进程）：将counter=6赋值给C.register
  - 步骤9（此时是消费者进程）：将C.register-1=5赋值给C.register
  - 步骤10（此时是消费者进程）：将C.register=5赋值给counter
  - 步骤11（此时是消费者进程）：给counter开锁

3. 本文总结

1. CPU管理的直观想法
    CPU工作原理：取值执行；
    逻辑路线：
    (1) CPU执行“I/O”操作是执行“计算操作”耗时的100万倍，因此，当计算机执行“I/O操作”时，CPU空闲造成资源浪费。
    (2) 为了解决这个问题，让CPU交替执行不同的程序吗，提高CPU使用率。
    (3) 为了更提高CPU使用率，不等“I/O操作时”才切换程序，使程序并发执行。
    (4) 至此，引入了进程的概念。
    (5) 在切换时，要保存当前进程的状态，并恢复被切换进程的状态。这就是是PCB的作用。

2. 多进程图像
    计算机的核心图像
    (1) 多进程的组织：PCB + 状态 + 队列
    (2) 引入了状态的概念，以及理解状态转移图
    (3) 多进程之间如何交替：队列操作+调度+切换
        <1> 调度 FIFO、Priority
        <2> 切换 switch_to(pCur,pNew)
    (4) 多进程在使用时，程序A要操作的地址，会对程序B产生影响，怎么办？
        <1> 使用映射表。这就使得地址空间分离
        <2> 程序A操作的地址，并不是真正的地址。只是一个逻辑地址，通过映射表才能找到真正的物理地址。
    (5) 进程合作（两个进程要访问一个共享空间，并更改一个值，怎么办）
        <1> 生产者、消费者模型
        <2> 由于CPU并发执行，两个进程更改一个地址的值时，执行序列会对结果产生影响。
        <3> 要解决这个问题，就需要 加锁！！！

posted on 2020-10-03 16:20 wangxx06 阅读(416) 评论(0) 收藏举报

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