操作系统3

进程管理

进程概念

进程的基本概念

程序运行在并发环境中的问题:

• 运行过程不确定
• 结果不可再现（程序运行被其它程序打扰）
• 解决方案：对运行过程施加相互制约

新的概念：进程

• 描述和管理运行程序的“运行过程”–进程

进程定义

• 进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动
• 数据集合：软/硬件环境，多个进程共存/共享的环境

进程的特征

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，动态产生/消亡
• 并发性：进程同其他进程一起向前推进
• 异步性：进程按各自速度向前推进
• 独立性：进程是操作系统分配资源和调度CPU的单位

进程和程序的区别

• 动态与静态
  • 进程是动态的：程序的一次执行过程
  • 程序是静态的：一组指令的有序集合
• 暂存与长存
  • 进程是暂停的：在内存驻留
  • 程序是长存的：在介质上长期保存
• 程序和进程的对应
  • 一个程序可能有多个进程

进程的类型

• 按使用资源的权限：
  • 系统进程：指系统内核相关的进程
  • 用户进程：运行于用户态的进程
• 按对CPU的依赖性：
  • 偏CPU进程：计算型进程
  • 偏I/O进程：侧重于I/O的进程

进程状态

运行状态（Running）

• 进程已经占有CPU，在CPU上运行。

就绪状态（Ready）

• 具备运行条件但由于无CPU，暂时不能运行

阻塞状态（Block）（等待Wait状态）

• 因为等待某项服务完成或信号不能运行的状态.阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。
• 如等待：系统调用，I/O操作，合作进程信号…

进程状态的变迁

• 进程的状态可以依据一定的条件相互转化

  

  

  

  

  深度阻塞一般是要请求文件、I/O等服务

  调试一个进程往往让这个进程暂停成挂起态。

  通常我们所认为的进程有五大状态，新建态，就绪态，阻塞态，运行态，退出态。

  事实上还存在被挂起的进程。https://blog.csdn.net/freeelinux/article/details/53562592

  僵死态 https://blog.csdn.net/diediexiaomi/article/details/76695747

  

进程的描述

进程控制块（Process Control Block，PCB）

• 描述进程状态、资源、和与相关进程关系的数据结构。
• PCB是进程的标志
• 创建进程时创建PCB；进程撤销后PCB同时撤销。

进程 = 程序+PCB

state表示进程的状态：运行、就绪、阻塞

counter：进程还可以运行tick数量，减至0后进入就绪。

priority：和进程优先级有关

signals：信号处理函数的入口

blocked：阻塞的信号

pid：和进程的标识有关

p_pptr：和进程家族关系有关

next_task：和进程链表、遍历进程相关

mm：和内存有关

fs：和文件系统有关

policy：和进程调度策略有关

和进程标识相关的成员变量

Linux进程的标识

• PID
• PPID：父进程ID
• PGID：进程组ID

进程的切换

进程的上下文

• Context，进程运行环境，CPU环境

进程切换过程

• 换入进程的上下文进入CPU（从栈上来）
• 换出进程的上下文离开CPU（到栈上去）

进程控制

进程控制概念

• 在进程生存全期间，对其全部行为的控制
• 四个典型的控制行为
  1. 创建进程
  2. 阻塞进程
  3. 撤销进程
  4. 唤醒进程

进程的创建

• 功能：创建一个具有指定标识（ID）的进程
• 参数：进程标识、优先级、进程起始地址、CPU初始状态、资源清单等

创建进程的过程

• 创建一个空白PCB
• 获得并赋予进程标识符ID
• 为进程分配空间
• 初始化PCB（默认值）
• 插入相应的进程队列（新进程插入就绪队列）

  

进程的撤销

• 功能
  1. 撤销一个指定的进程
  2. 收回进程所占有的资源，撤销该进程的PCB

进程撤销的时机/事件

• 正常结束
• 异常结束
• 外界干预

进程撤销的参数

• ID号

进程撤销的实现

• 在PCB队列中检索出该PCB
• 获取该进程的状态

• 若该进程处在运行态，立即终止该进程

  递归：检查是否有子进程，先“撤销”子进程

• 释放进程占有的资源
• 将进程从PCB队列中移除

进程阻塞

• 功能：停止进程的运行，变为阻塞

阻塞的时机/事件

• 请求系统服务：由于某种原因，OS不能立即满足进程的要求
• 启动某种操作：进程启动某操作，阻塞等待该操作完成
• 新数据尚未到达：A进程要获得B进程的中间结果，A进程等待
• 无新工作可作：进程完成任务后，自我阻塞，等待新任务到达

参数

• 阻塞原因
• 不同原因构建有不同的阻塞队列

进程阻塞的实现

• 停止运行
• 将PCB“运行态”改“阻塞态”
• 插入相应原因的阻塞队列
• 转调度程序

进程唤醒

• 功能：唤醒处于阻塞队列当中的某个进程

引起唤醒的时机/事件

• 系统服务由不满足到满足
• I/O完成
• 新数据到达
• 进程提出新请求（服务）

参数

• 被唤醒进程的标识

进程控制原语

• 由若干指令构成的具有特定功能的函数
• 具有原子性，其操作不可分割

进程控制原语

• 创建原语
• 撤销原语
• 阻塞原语
• 唤醒原语

进程创建原语

Windows进程控制

system("C:\\DrawRec.exe");
WinExec("C:\\DrawRec.exe",SW_SHOWMAXIMIZED);
ShellExecute(NULL,"open","C:\\DrawRect.exe",NULL,NULL,SW_SHOWNORMAL);
CreateProcess(NULL,"C:\\DrawRec.exe",NULL,NULL,FALSE,NULL,NULL,NULL,&si,&pi);
           

三个函数的原型：

它们在一定程度上都是对CreateProcess进行封装。

CreateProcess()创建进程：

• 创建进程内核对象，创建虚拟地址空间
• 装载EXE和/或DLL的代码和数据到地址空间中
• 创建主线程和线程内核对象
• 启动主线程，进入主函数（main）

Linux进程控制

复制后生成的子进程和父进程有相同的代码、数据和堆栈，只有进程id号和时间不一样。

子进程是父进程的复制，自然包括代码。

exec装入的是可执行程序，这意味着数据段、代码段、堆栈，全都被换掉了。当一个进程无事可做时，可以使用exec重生。

前5个都是对第六个函数的封装。

线程

线程的概念（Thread）

1. 线程是可由CPU直接运行的实体。是程序内部的一个执行路径。当操作系统支持线程的时候，进程就不再是CPU调度的单位了，取而代之的是线程。
2. 一个进程可以创建多个线程。
3. 多个线程共享CPU可以实现并发运行。

线程是比进程更小的并发单位。

临界区和锁

临界区和临界资源的访问特点：

• 具有排他性
• 并发进程不能同时进入临界区

设计临界区访问机制的四个原则

• 忙则等待：当临界区忙时，其它进程必须在临界区外等待
• 空闲让进：当无进程处于临界区时，任何有权进程可进入临界区

• 有限等待：进程进入临界区的请求应在有限的时间内得到满足。

  思考：临界区的设置大些好还是小些好？

  临界区不能随意扩大，否则导致其它进程等待更长的时间。临界区也不能太小，刚好是让进程之间互不干扰。

• 让权等待：等待进程放弃CPU。（让其它进程有机会得到CPU）

锁机制

同步和P-V操作

同步和互斥的概念

进程的互斥关系

多个进程由于共享了独占性资源，必须协调各进程对资源的存取顺序，确保没有任何两个或以上的进程同时进行存取操作。

具有互斥关系的进程都和临界资源共享有关！

资源：临界资源

存取操作区域：临界区

进程的同步关系

若干合作进程为了完成一个共同的任务，需要相互协调运行步伐：

一个进程开始某个操作之前必须要求另一个进程已经完成某个操作，否则前面的进程只能等待。

P-V操作概念

信号灯的概念

P-V操作的定义

P-V操作解决互斥问题

实质是实现对临界区的互斥访问：允许最多一个进程处于临界区

应用过程：

1. 进入临界区之前先执行P操作（可能阻塞当前进程）
2. 离开临界区之后再执行V操作（可能唤醒某个进程）

S的初值要设置的合理。

P-V操作实现进程同步

同步机制实质：

• 运行条件不满足时，能让进程暂停
• 运行条件满足时，能让进程立即继续

P-V操作应用于进程同步的基本思路：

• 暂停当前进程：在关键操作之前进行P操作
  • 必要时可暂停
• 继续进程：在关键操作之后执行V操作
  • 必要时唤醒合作进程
• 定义有意义的信号量S，并设置合适的初值。
  • 信号量S能明确地表示“运行条件”

分析：两者同步过程？何时阻塞，何时唤醒？S1、S2变化？

假定司机进程先运行。P(S1)操作使S1由0变为-1。-1小于0，阻塞。

售票员进程运行。运行完关门之后，V(S1)操作使S1由-1变为0，并唤醒司机进程。

司机进程和售票员进程并发（行驶和售票）。

售票员进程试图开门，P(S2)操作使S2由0变为-1，阻塞。

司机进程停车，V(S2)操作使S2由-1变为0，并唤醒售票员进程。

售票员进程开门。

经典同步问题

Windows和Linux同步机制

Windows进程同步机制

synchapi.h

• 临界区（锁）：CRITICAL_SECTION
• 互斥量（Mutex）（锁）：HANDLE
• 信号量（Semaphore）：HANDLE
• 事件（Event）：HANDLE
• 等待操作：WaitForSingleObject和WaitForMultipleObjects

临界区（CRITICAL_SECTION）

• 在进程内使用，保证仅一个线程可以申请到该对象。
• 临界区内是临界资源的访问

  

  

  WaitForSingleObject：等待上边的三个线程结束之后才会返回，然后执行printf

  

  程序运行多次发现，不仅结果不是240，而且每次结果都不一样（都比240要小）？

  分析代码发现：

int iCopy = nSum;
nSum = iCopy + i;
           

上面这两行代码是临界区，其中nSum是临界资源（全局变量），由三个线程共享。

互斥量（Mutex）

• 保证只有一个线程或进程可以申请到该对象。
• 可以跨进程使用
• 可以有名称
• 互斥量比临界区要耗费更多资源，速度慢

  

信号量（Semaphore）

信号量机制和临界区机制、互斥量机制有很大的不同。

• 允许指定数目的多个线程/进程访问"临界区"(不是上边的CRITICAL_SECTION，只是概念上的临界区)
• 一种资源计数器，用于限制并发线程的数量
• 初始值可设置为N，表示N个进程/线程并发访问

  

  

  信号量是具有状态的对象。

  

  

事件

Linux同步机制

Linux父子进程同步

main(){
	pid_t pid,pid_1,pid_2;
	pid = fork();
	if(pid == 0){ //子进程
		pid_1 = getpid();
		printf("pid_1 = %d \n",pid_1);
		sleep(10);
	}
	if(pid > 0){ //父进程
		pid_2 = wait(NULL);
		printf("pid_2 = %d \n",pid_2);
	}
	exit(0);
}
           

程序运行流程？pid_1和pid_2的值？

父进程阻塞（wait），子进程执行打印子进程pid。子进程执行完，wait返回，返回值为子进程pid，父进程继续运行，打印子进程pid。然后退出进程。

pid_1和pid_2都是子进程pid。

上面的变量i在子进程里被修改为2，并打印。

在父进程直接打印i。

父进程上来就休眠，所以子进程先运行，打印2，然后父进程休眠完打印1。

对于普通变量，父进程和子进程各自操作变量副本，互不影响。

父进程先写A，然后子进程写B，父进程写C。

进程通信

匿名管道通信（windows）

任务：把一个CMD控制台程序改成窗口程序

信号通信（Linux）