操作系统1-进程

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进程

什么是进程

程序的顺序执行与并发执行

顺序执行：若干程序和程序段必须严格按照某种先后顺序执行

  • 顺序性：操作严格按照程序规定的顺序执行；
  • 封闭性：程序运行时占用全机资源；
  • 可再现性：只要程序的执行环境和初始资源的条件相同，结果就相同；

并发执行：多个时间在同一个时间间隔内发生；

  • 应用级并发：事务处理系统，数据库管理系统
  • 系统级并发：操作系统；
  • 间断性：由于资源的共享和相互合作，程序体现执行-暂停-执行的现象
  • 失去封闭性：程序在并发执行时，是多个程序共享系统的资源，资源的状态有多个程序来改变；
  • 不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，多次重复可以得到不同的结果；

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进程

引入进程的目的：为了 控制 多道程序能够 正确的并发 执行

定义：(程序代码program code + 数据集set of data + 进程控制块PCB，process control block)

  1. 一个正在执行的程序；
  2. 一个正在计算机上执行的程序实例；
  3. 一个能够被调度到处理器上执行的实体；
  4. 由一串指令的执行、当前状态和一组正在使用的系统资源表征的活动单元；

进程的物理存在：进程映像

  • Process Image=PCB+program+data+stack；
  • 进程映像取决于文件格式；

系统中同时存在的诸进程相互独立，也相互关联，这取决于设计模式；

可以说，并发基于进程；

进程控制块

进程执行的任意时刻可以由 进程控制块 表征，组成如下：

  1. 标识符
  2. 状态
  3. 优先级
  4. 程序计数器
  5. 内存指针
  6. I/O状态信息
  7. 记账信息……

注意，PCB常驻内存，PCB是进程存在的唯一标志；

进程的特征

  • 动态性：最基本特征，是计算机的执行的程序实例，存在生命周期；
  • 并发性：多个进程实体存在于内存中也能在一段时间内同时运行，可以说进程的设计就是为了操作系统的并发；
  • 独立性：进程实体是独立运行的基本单位，也是系统独立获得资源和调度的基本单位，各个进程的地址空间相互独立除非进程间相互通信；
  • 异步性：各个进程按照独立的，不可预知的速度向前推进；

注意：进程和程序之间不存在一一对应的关系；

进程带来的挑战

  • 空间开销：为进程建立数据结构PCB
  • 时间开销：管理和协调，跟踪，填写和更新相关的数据结构，切换进程，保护现场
  • 控制复杂性：协调多个进程对资源的竞争和共享，预防解决多个进程因为资源竞争问题带来的故障

进程状态模型

由于进程具有动态性，执行间断性和多种状态的特征，需要建立进程状态的自动机描述；

进程轨迹trace ：进程执行的指令序列，描述单个进程的行为；

调度器dispatcher：调度多个进程的执行；

以下是 轮转（round-robin） 的例子：通过指定一个时间片，处理器决定是否切换进程;

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两状态模型

进程处于两种状态之一：

  1. 运行态：进程队列的头部进程被系统调度执行；
  2. 非运行态：进程创建后，以非运行态进入进程队列中；

进程队列：存放指向特定进程的指针；

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三状态模型

进程处于三种基本状态之一：

  1. 就绪ready：
    • 进程已经获得除开CPU外的所有必要资源后，只需获得CPU立即执行进程
  2. 执行running：
    • 进程获得CPU，程序正在执行；
  3. 阻塞waiting：
    • 正在执行的进程因为其他事件的等待无法继续执行；
    • 进程放弃处理机而处于暂停状态；

对于一些嵌入式的操作系统，三状态模型足以描述：

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注意：

  • 状态转换并非都可逆
  • 一个进程在任何一个指定的时刻必须而且只能处于一
    种状态
  • 时间片完也不是执行-就绪的唯一原因，可能是高优先级抢占控制权
  • 在单处理机系统中，只有一个进程处于执行状态

五状态自动机

进程新增两个状态后真正称为自动机模型：

  • 新建New：
    • 进程刚刚创建，OS完成了进程创建的必要工作(构造了进程标识符，创建了进程管理的表格)
    • OS未将进程加入可执行进程组，进程自身未进入主存，进程尚未被同意执行，进程的程序也没有分配空间而保存在辅存；
    • 进程创建原因：新的批处理作业，交互登陆，提供服务，现有进程派生
  • 终止Exit
    • 进程不再具有执行资格；
    • 表格和其他信息暂时保留，OS从可执行进程组释放；
    • 原因：正常完成，超时，无可用内存，各种错误…

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注意：

  • 加载/接纳：OS做好接纳进程的准备后，将一个进程从新建态转换成就绪态；
  • 就绪-退出，阻塞-退出：某些系统中，父进程可以在任何时候终止一个子进程，这样的转换可能存在；
排队模型实现：维护就绪队列和阻塞队列
  • 进入OS的每个进程放在就绪队列中，OS选择进程运行时在就绪队列中选择一个；
  • 运行的程序被移除处理器后，要么终止，要么进入就绪队列或阻塞队列
  • 某事件发生导致阻塞队列中的相应进程进入就绪队列中；

具体实现：

多阻塞队列可以避免对很长的队列进行扫描；

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七状态自动机

交换技术swapping和挂起suspend

进程竞争内存资源：内存紧张，或者所有进程因为某事件等待，但是无就绪进程，处理机实际空闲

解决方案：扩充内存，swapping

  • 将内存中处于阻塞、就绪、甚至是执行状态的进程swapping-out进外存(磁盘)
  • 不再参与CPU的竞争，我们把这种静止状态称为挂起状态；
  • 在磁盘中维护一个挂起队列，建立虚存；
  • 当存在已具备运行条件的进程或进程所需要的数据和程序，Swapping-in到内存。

进程挂起的原因：

  • 进程全部阻塞，处理机空闲
  • 交换，如系统负荷过重，内存空间紧张
  • 操作系统的需要，操作系统可能需要挂起后台进程或一些服务进程，或某些可能导致系统故障的进程。
  • 终端用户的请求,如调试
  • 父进程请求

被挂起进程的特征

  • 不能立即执行
  • 挂起条件独立于阻塞条件
  • 使之挂起的进程：自身、OS、父进程
  • 激活挂起进程的进程：实施挂起操作的进程

当被挂起的进程返回内存时，OS不一定执行的准备，进一步划分：

  • 就绪挂起：进程在外存，只要调入内存并获得CPU即可执行
  • 阻塞挂起：进程在外存，并等待某事件

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注意：

  • 加载：新建进程后，进程要么加入就绪队列，要么进入就绪挂起队列，视当时的资源而定；
    • 创建进程的just-in-time原理：尽可能推迟创建进程以减小系统的开销；
  • 运行-就绪挂起：一般来说，运行进程的分配时间到期后就会转换成就绪态，但是某个具有高优先级的进程位于阻塞/挂起队列不被阻塞时，OS会抢占这个进程

进程描述

进程的执行必须由操作系统分配资源，操作系统是资源的管理者：采用表格记载资源的信息，进而实现资源的管理，维护和更新；

  • 内存表
  • I/O表
  • 文件表
  • 进程表

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进程控制块

包括信息主要有三类：

  • 进程标识信息；唯一标识一个进程
    • 内部标识符：操作系统为每个进程赋予的一个唯一整数，便于系统控制
    • 父进程标识符
    • 用户标识符
  • 处理机状态信息：主要是上下文，由处理器的各种寄存器中的内容组成的
    • 通用寄存器
    • 控制和状态寄存器
    • 栈指针
  • 进程控制信息：与进程调度和进程切换有关的信息
    • 进程状态
    • 进程优先级
    • 时间记账
    • 阻塞原因
    • 链接指针
    • 进程间通信
    • 程序和数据地址
    • 资源所有权和使用情况

进程的组织方式

索引

系统为所有进程的状态建立几张索引表；

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链接

  • 单一队列：所有PCB块连接成一个队列

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  • 多级队列：相同状态的PCB块连接成一个队列

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内核

内核是操作系统的核心，是包含重要系统功能的部分，常住内存以提高操作系统的系统功能；

不同操作系统对内核的设计(功能范围的设定)不同；

  • 资源管理

    • 进程管理：进程的创建和终止，调度，分配，切换，同步和进程间通信，管理PCB

    • 存储管理：为进程分配地址空间，交换，页和段管理

    • I/O管理：缓冲区管理，为进程分配I/O通道

  • 支撑功能

    • 中断：操作系统的一切重要活动最终依赖于中断
    • 时钟
    • 记账

执行模式

  • 大多数处理器至少支持两种模式：内核模式，用户模式
  • 某些指令只能在特权模式运行，部分内存只能在特权模式下访问
  • 采用两种模式可以保护操作系统和重要的系统操作表不受程序干扰
  • 查看运行模式：程序状态字寄存器PSWR下指示执行模式的位

模式切换：

  • 原因：系统调用或中断，中断发生时，将程序计数器设置为中断程序处理的开始地址，切换成内核模式使得中断程序可以执行某些特权指令
  • 中断不一定引发进程切换，也不一定造成模式切换，模式切换和进程切换无决定关系

进程控制

进程控制包括以下事件：

  • 进程的穿件与撤销
  • 进程的阻塞和唤醒
  • 挂起和激活
  • 进程切换

实现方式：原语Primitive

  • 原语用于完成一定功能的过程，定义了原子操作
  • 其执行过程不允许被中断；

create原语：创建进程

  • 为新进程分配唯一一个进程标识符
  • 为进程分配空间
  • 初始化进程控制块（标识信息，处理机状态信息，调度信息）
  • 建立连接，插入就绪（就绪/挂起）队列
  • 建立扩充其他相关的数据结构

后面两步是方便操作系统管理进程的必要步骤；

进程终止原语

  • 根据标识符找到其PCB，读出进程的状态
  • 对于执行状态的进程，终止它，调度下一个进程就绪进程的执行
  • 若进程存在子进程，不同的操作系统有不同的处理方式，挂在其他结点或者终止它
  • 将进程的全部资源归还（父进程或者OS）
  • 被终止进程的PCB从队列中移除，等待其他程序搜集信息

进程阻塞

  • 对于执行状态的进程发生阻塞时，使用Block（）原语将自己阻塞
  • 将PCB的状态由执行到阻塞将PCB加入阻塞队列
  • 将处理剂分配给下一个就绪进程并切换

进程唤醒

  • 被阻塞进程期待的事件出现时，有关进程调用唤醒原语wakeup（），等待该事件的进程唤醒
  • 唤醒进程原语执行：将被阻塞进程从队列移出，将PCB中现行状态由阻塞改为就绪，插入到就绪队列中

进程挂起

出现引起进程挂起的事件时，系统将利用挂起原语suspend（）将指定挂起；

  • 检查被挂起的状态
  • 插入相应队列

进程激活

  • 发生激活进程的事件时，将在外存上处于挂起的进程换入内存
    • 利用激活原语active（）将指定进程从外存调入内存：检查进程状态，插入相应队列

进程切换

进程切换：调度另一个就绪进程占用处理器
进程上下文：进程执行的现场
发生原因：

  • 时钟中断
  • IO中断
  • 内存失效
  • 陷阱
  • 系统调用

步骤：

  • 保存处理器上下文，包括程序计数器和其他寄存器
  • 更新运行进程的PCB
  • 将PCB移动到相应队列
  • 选择另一个进程执行
  • 更新另一个PCB
  • 恢复被选择的上下文

线程

线程是进程的一个实体，是独立调度和分派的基本单位；
进程是系统进行资源分配和调度的独立单位；
线程是进程的一个实体，是对调度和分配的基本单位；

  • 进程是系统中拥有资源的单位，比如进程映像的地址空间，全局变量，打开文件，IO设备
  • 线程，拥有少量的私有资源（线程控制块，栈…）
  • 同一进程哪的线程共享全部资源
  • 同一进程的线程切换不会引发进程切换
  • 不同进程中线程切换将引起进程切换
  • 同一进程的多个线程也存在并发，提高系统资源的使用和系统吞吐量
  • 线程间通信比进程间通信快很多
  • 线程的系统开销小于进程，同一进程的多个线程同步和通信更容易

状态

  • 就绪状态
  • 执行状态
  • 阻塞状态

一般不具有挂起状态，一个进程可以创建和撤销多个线程,同一个进程的多个线程可以并发执行

基本操作

  • 派生spawn：
  • 阻塞block
  • 解除阻塞ubblock
  • 结束finish

分类

  • 用户级线程
  • 内核级线程
  • 混合线程