操作系统-进程(一)
2020 年 11 月 24 日 204 3168 字 暂无评论

01.进程的概述

1.1进程的定义

  • 程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体(进程映像)。一般情况下,我们把进程实体就简称为进程
  • 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。
  • 注意:PCB是进程存在的唯一标志
  • 从不同的角度,进程可以有不同的定义,比较传统典型的定义有:

    • 进程是程序的一次执行过程
    • 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
    • 进程是具有独立功能的程序在数据集合上的运行的过程,它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
  • 引入进程实体的概念后,可把进程定义为:

    • 进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配调度的一个独立单位。
  • 注:严格来说,进程实体和进程并不一样,进程实体是静态的,进程则是动态的。不过,除非题目专门考察二者区别,否则可以认为进程实体就是进程。因此我们可以说“进程由程序段、数据段、PCB三部分组成”。

1.2进程的组成

  • 进程(进程实体)由程序段、数据段、PCB三部分组成。

1.3进程的组织

  • 在一个系统中,通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了对他们加以有效的管理,应该用适当的方式把这些PCB组织起来。
  • 注:进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题,而进程的组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。

  • 进程的组织-链接方式

  • 进程的组织-索引方式

  • 进程的组织方式

    • 链接方式

      • 按照进程状态将PCB分为多个队列
      • 操作系统特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
      • 操作系统特有指向各个索引表的指针

1.4进程的特征

进程和程序是两个截然不同的概念,相比于程序,进程拥有以下特征:

  • 进程的特征

    • 动态性:进程是程序的一次执行过程,是动态产生、变化和消亡的。
    • 并发性:内存中有多个进程实体,各进程可并发执行。
    • 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,进程由程序段、数据段、PCB组成。

02.进程的状态与转换

2.1进程的状态-三种基本状态

  • 进程是程序的一次执行。在这个执行过程中,有时进程正在被CPU处理,有时又需要等待CPU服务,可见,进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理,操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

2.2进程的状态-另外两种状态

  • 进程的状态:

    • 运行态
    • 就绪态
    • 阻塞态
    • 创建态
    • 终止态

2.3进程状态的转换

  • 注意:不能由阻塞态直接转换为运行态,也不能由就绪态直接转换为阻塞态(因为进入阻塞态是进程主动请求的,必然需要进程在运行时才能发出这种请求)。

03.进程控制

3.1进程控制简介

  • 进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理,它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
  • 如何实现进程控制

    • 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。
    • 这种不可被中断的操作即原子操作
    • 原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。
    • 开/关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

3.2进程控制相关原语

  • 原语的基本过程

    • 更新PCB中的信息
    • 将PCB插入合适的队列
    • 分配/回收资源

04.进程通信

  • 进程通信就是指进程之间的信息交换。
  • 各进程拥有的内存地址空间相互独立
  • 一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

4.1共享存储

4.2消息传递

  • 进程间的数据交换以格式化的消息(Message)为单位。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。

4.3管道通信

  • 管道只能采用半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信,则需要设置两个管道
  • 各进程要互斥地访问管道。
  • 数据以字符流的形式写入管道,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
  • 数据一旦被读出,就从管道中被抛弃,这就意味着读进程最多只能有一个,否则可能会有读错数据的情况。

05.线程概念多线程模型

  • 可以把线程理解为“轻量级进程”。
  • 线程是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单位
  • 引入线程后,不仅是进程之间可以并发,进程内的各线程之间也可以并发,从而进一步提升了系统的并发度
  • 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则作为处理机的分配单元

5.1线程的属性

  • 线程是处理机调度的单位。
  • 多CPU计算机中,各个线程可占用不同的CPU。
  • 每个线程都有一个线程ID、线程控制块(TCB)
  • 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,系统开销较大。

5.2线程的实现方式

  • 用户级线程(User-Level Thread,ULT)

    • 用户级线程由应用程序通过线程库实现。
    • 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,无需操作系统干预。

  • 内核级线程(Kernel-Level Thread,KLT,又称“内核支持的线程”)

    • 内核级线程的管理工作操作系统内核完成。
    • 线程调度、切换等工作都由内核负责,因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。

  • 在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中,可采用二者组合的方式

5.3多线程模型

  • 多对一模型

    • 多个用户级线程映射到一个内核级线程。
    • 每个用户进程只对应一个内核级线程。
  • 优点

    • 用户级线程的切换在用户空间即可完成,不需要切换到核心态。
    • 线程管理的系统开销小,效率高。
  • 缺点

    • 当一个用户级线程被阻塞后,整个进程都会被阻塞,并发度不高。
    • 多线程不可在多核处理机上并发运行。

  • 一对一模型

    • 一个用户级线程映射到一个内核级线程。
    • 每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
  • 优点

    • 当一个线程被阻塞后,别的线程还可以继续执行,并发能力强。
    • 多线程可在多核处理机上并行执行。
  • 缺点

    • 一个用户进程会占用多个内核级线程,线程切换由操作系统内核完成,需要切换到核心态,因此线程管理的成本高,开销大。

  • 多对多模型

    • n用户级线程映射到m个内核级线程(n>=m)。
    • 每个用户进程对应m个内核级线程。

06.处理机调度

  • 当有一堆任务处理,由于资源有限,这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序,这就是“调度”研究的问题。

6.1调度的三个层次

  • 高级调度(作业调度)

    • 按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个(或多个)作业,给他们分配内存等必要资源,并建立相应的进程(建立PCB),以使获得竞争处理机的权利
    • 高级调度是辅存(外存)与内存之间的调度。每个作业只调入一次,调出一次。作业调入时会建立相应的PCB,作业调出时才撤销PCB
  • 中级调度(内存调度)

    • 决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
    • 一个进程可能会被多次调出、调入内存,因此中级调度发送的频率要比高级调度更高

  • 低级调度(进程调度)

    • 按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程,将处理机分配给它。
    • 进程调度是操作系统中最基本的一种调度,一般的操作系统中都必须配置进程调度。
    • 进程调度的频率很高,一般几十毫秒一次。
  • 三种调度对比

6.2进程调度的时机

  • 什么时候需要进程调度

    • 主动放弃

      • 进程正常终止
      • 运行过程中发生异常而终止
      • 主动阻塞(如 等待I/O)
    • 被动放弃

      • 分给进程的时机片用完
      • 有更紧急的事情需要处理(如I/O中断)
      • 有更高优先级的进程进入就绪队列
  • 什么时候不能进行进程调度

    • 处理中断的过程中
    • 进程在操作系统内核程序临界区中
    • 原子操作过程中(原语)

6.3进程调度的方式

  • 非剥夺调度方式(非抢占方式)

    • 只允许进程主动放弃处理机。
    • 在运行过程中即便有更紧迫的任务到达,当前进程依然会继续使用处理机,直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
  • 剥夺调度方式(抢占方式)

    • 当一个进程正在处理机上执行时,如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机,则立即暂停正在执行的进程,将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。

6.4进程的切换与过程

  • 狭义的进程调度

    • 指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。(这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程,也可能是另一个进程,后一种情况就需要进程切换)
  • 广义的进程调度

    • 包含了选择一个进程和进程切换两个步骤
  • 进程切换

    • 一个进程让出处理机,由另一个进程占用处理机的过程。
  • 进程切换过程

    • 对原来运行进程各种数据的保存。
    • 对新的进程各种数据的恢复。
  • 注意

    • 进程切换是有代价的,因此过于频繁的进行进程调度、切换,必然会使得整个系统的效率降低,使系统大部分时间都花在了进程切换上,而真正用于执行进程的时间减少。

6.5调度算法的评价指标

  • CPU利用率

  • 系统吞吐量

  • 周转时间

  • 等待时间
  • 响应时间

6.6调度算法

  • 先来先服务(FCFS,First Come First Serve)
  • 短作业优先(SJF,Shortest Job First)
  • 高响应比优先(HRRN,Highest Response Ratio Next)
  • 这三种适应于早期的批处理系统

  • 时间片轮转(RR,Round-Robin)
  • 优先级调度
  • 多级反馈队列调度
  • 这三种适合交互式系统


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