文章目录
- 2.1_1_进程的定义、组成、组织方式、特征
- 2.1_2_进程的状态与转换
- 2.1_3_进程控制
- 2.1_4_进程通信
- 2.1_5_线程概念和多线程模型
2.1_1_进程的定义、组成、组织方式、特征
进程的定义
- 程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体。一般情况下,我们把进程实体简称为进程。
- 例如,所谓创建进程,实质上是创建进程实体中的PCB;而撤销进程,实质上是撤销进程实体中的PCB。
- PCB是进程存在的唯一标志。
- 进程是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。
进程的组成
- 程序代码存放在程序段。程序运行时使用、产生的运算数据存放在数据段
- 操作系统通过PCB来管理进程,因此PCB中应该包含操作系统对其管理所需的各种信息。
- 进程描述信息:进程标识符PID,用户标识符UID。
- 进程控制和管理信息:进程当前的状态,进程优先级
- 资源分配清单:程序段指针,数据段指针,键盘,鼠标
- 处理机相关信息:各种寄存器值
进程的组织
- 连接方式
- 按照进程状态将PCB分为多个队列:执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针
- 操作系统持有指向各个队列的指针
- 索引方式
- 根据进程状态的不同,建立几张索引表。
- 操作系统持有指向各个索引表的指针 。
进程的特征
- 动态性:进程是程序的一次执行过程,是动态的产生变化和消亡的
- 并发性:内存中有多个进程实体,各个进程可并发的执行。
- 独立性:进程是能独立运行,独立获得资源,独立接受调度的基本单位。
- 异步性:各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。操作系统要提供进程同步机制来解决异步问题。
- 结构性:每个进程都会配置一个PCB,结构上看进程有程序段、数据段、PCB组成。
2.1_2_进程的状态与转换
进程的三种基本状态
- 运行态:占用CPU,并在CPU上运行
- 就绪态:已经具备运行条件,但由于没有空闲CPU,而暂时不能运行
- 阻塞态:因等待某一事件而不能运行
进程的另外两种状态
- 创建态:进程正在被创建,操作系统为进程分配资源、初始化PCB
- 终止态:进程正在从系统中撤销,操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB
进程状态的转化
- 创建态—就绪态:系统完成创建进程的一系列工作
- 就绪态—运行态:进程被调度
- 运行态—就绪态:时间片到,或处理机被抢占
- 运行态—终止态:进程运行结束,或运行过程中遇到不可修复的错误
- 运行态—阻塞态:进程用系统调用的方式申请某种系统资源,或者请求等待某个事件的发生(主动行为)
- 阻塞态—就绪态:申请的资源被分配,或等待的事件发生(被动行为)
2.1_3_进程控制
- 进程控制就是要实现进程状态转换
- 用原语实现进程控制,原语的特点是执行期间不允许中断,只能一气呵成,不可被中断的操作被称为原子操作。
- 原语采用关中断指令和开中断指令实现。原语运行在核心态。
- 关/开中断指令的权限非常大,必然是只允许在核心态下执行的特权指令。
原语要做的三件事情
- 更新PCB中信息(修改进程状态标志,将运行环境保存到PCB,从PCB恢复运行环境)
- 将PCB插入合适的队列
- 分配/回收资源
进程的创建
- 创建原语:无—创建态—就绪态
- 申请空白PCB
- 为新进程分配所需资源
- 初始化PCB
- 将PCB插入就绪队列
- 引起进程创建的事件
- 用户登录:分时系统中,用户登录成果,系统会为其建立一个新的进程
- 作业调度:多道批处理系统中,有新的作业放入内存时,会为其建立一个新的进程
- 提供服务:用户向操作系统提出某些请求时,会新建一个进程处理该请求
- 应用请求:由用户进程主动创建一个子进程
进程的终止
撤销原语:就绪态/阻塞态/运行态—终止态—无
- 从PCB集合中找到终止进程的PCB
- 若进程正在运行,立即剥夺PCB,将CPU分配给其他进程
- 终止所有子进程
- 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
- 删除PCB
引起进程终止的事件:正常结束、异常结束、外界干预。
进程的阻塞和唤醒
- 进程的阻塞:
- 阻塞原语:
- 找到要阻塞的进程对应的PCB
- 保护进程运行现场,将PCB状态信息设置为阻塞态,暂时停止进程的运行
- 将PCB插入相应事件的等待队列
- 引起进程阻塞的事件
- 需要等待系统分配某种资源
- 需要等待相互合作的其他进程完成工作
- 阻塞原语:
- 进程的唤醒:
- 唤醒原语:
- 在事件等待队列中找到PCB
- 将PCB从等待队列中移除,设置进程为就绪态
- 将PCB插入就绪队列,等待被调度
- 引起进程唤醒的事件:等待的事件发生
- 唤醒原语:
进程的切换
- 切换原语
- 将运行环境信息存入PCB
- PCB移入相应队列
- 选择另一个进程执行,并更新其PCB
- 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
- 引起进程切换到事件
- 当前进程时间片到
- 有更高优先级的进程到达
- 当前进程主动阻塞
- 当前进程终止
2.1_4_进程通信
进程通信就是指进程之间的信息交换
进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间),因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
为了保证安全,一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
进程通信:共享存储,消息传递,管道通信
共享存储:两个进程对共享空间的访问必须是互斥的,操作系统只负责提供共享空间和同步互斥工具(如PV操作)
- 基于数据结构的共享
- 基于存储区的共享
管道通信:用于连续读写进程的一个共享文件,其实就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区。
- 管道只能采用半双工通信,各个进程互斥访问管道。
- 数据以字节流的形式写入管道,当管道写满时,写进程的write()系统调用将被阻塞等待读进程将数据取走。
- 当读进程将数据全部取走后,管道变空,此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
- 如果没写满,就不允许读,如果没读空,就不允许写。
- 数据一旦被读走就从管道中被抛弃,意味着读进程最多只有一个。
消息传递:进程通过操作系统提供的发送消息/接收消息两个原语进行数据交换
- 进程间的数据交换以格式化的消息为单位。消息:消息头、消息体。
- 消息传递的方式:直接通信方式,间接通信方式。
2.1_5_线程概念和多线程模型
- 引入线程后,线程成为了程序执行流的最小单位,是一个基本的CPU执行单位。
- 引入线程后,进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元。线程是调度的基本单位。
线程的属性
- 线程是处理机调度的单位
- 多CPU计算机中,各个线程可以占用不同的CPU
- 每个线程都有一个线程ID,线程控制块。
- 线程也有就绪,阻塞,运行三种基本状态
- 线程几乎不拥有系统资源
- 同一进程的不同线程间共享进程的资源
- 由于共享内存的地址空间,同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
- 同一进程中的线程切换,不会引起进程切换
- 不同进程中的线程切换,会引起进程切换
- 切换同进程内的线程,系统开销很小
- 切换进程,系统开销大。
线程的实现方式
- 用户级线程:由应用程序通过线程库来实现,所有的线程管理工作,都由应用程序负责。
- 用户级线程中,线程切换可以在用户态下即可完成,无需操作系统的干预。
- 在用户看来,是有多个线程。但是在操作系统内核看来,并意识不到线程的存在。
- 用户级线程就是从用户视角看能看到的线程。
- 内核级线程:管理工作由操作系统内核完成,线程调度,切换等工作都由内核负责,因此内核级线程切换必然需要在核心态下才能完成。
- 内核级线程就是从操作系统内核视角看能看到的线程。因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
多线程模型
- 由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了多线程模型
- 多对一模型
- 优点:进程管理开销小效率高
- 缺点:一个线程阻塞会导致整个进程都被阻塞,并发度低
- 一对一模型
- 优点:进程管理开销大
- 缺点:各个线程可分配到多核处理机并行执行,并发度高。
- 多对多模型:集二者之所长。