第二章-进程（2）

墨蓝 2024-03-30 16:39 53阅读 0赞

#### 进程 ####

*   *  一、进程的引入
     *  二、进程的状态及组成
     *  三、进程控制

### 一、进程的引入 ###

**（1）程序的顺序执行:**  
P1:a=x+y  
P2:b=a-5  
P3:c=b+1  
程序总是按照P1→P2→P3的顺序执行。  
**特点：**

*  顺序性：处理机的操作严格按规定顺序执行。
 *  封闭性：程序执行时，独占系统资源。
 *  可再现性：当初始条件相同时，程序多次执行的结果相同。

**（2）程序的并发执行**  
P1:a=5  
P2:b=6  
P3:c=a+b  
P4:d=c+1  
程序按照P1/P2→P3→P4的顺序执行。  
**特点：**

*  间断性：程序在并发执行时，形成了相互制约关系。相互制约将导致并发程序具有“执行—暂停—执行”这种间断性的活动规律。
 *  失去封闭性：系统中的资源供多个程序共享，致使程序的运行失去了封闭性。
 *  失去可再现性。

**（3）程序并发执行的条件Bernstein**  
Bernstein条件：  
读集：R(Pi)=\{a1,a2,…,am\} 程序Pi执行期间参考的变量集合。  
写集：W(Pi)=\{b1,b2,…,bm\} 程序Pi执行期间改变的变量集合。  
两个进程P1，P2若满足：R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2)=\{\}则P1，P2并发执行，且具有可再现性。

例如:  
P1:a=5  
P2:b=6  
P3:c=a+b  
P4:d=c+1  
P1、P2可以并发执行吗？P3、P4可以并发执行呢？  
解：  
P1:a=5  
P2:b=6  
R(P1)=\{\}   W(P1)=\{a\}    → R读取右边的变量；W读取左边的变量，没有变量则为空集  
R(P2)=\{\}   W(P2)=\{b\}  
R(P1) ∩W(P2)=\{\}   R(P2) ∩W(P1)=\{\}  W(P1) ∩W(P2)=\{\}  
R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2)=\{\}  
P1、P2可以并发执行。

P3:c=a+b  
P4:d=c+1  
R(P3)=\{a,b\}   W(P3)=\{c\}  
R(P4)=\{c\}    W(P4)=\{d\}  
R(P3) ∩W(P4)=\{\}  
R(P4) ∩W(P3)=\{c\}  
R(P3) ∩W(P4) ∪R(P4) ∩W(P3)∪W(P3)∩W(P4) =\{c\}  
P3、P4不能并发执行。  
**（4）进程的定义**  
**进程**：可并发执行的程序在一个数据集合上的**执行过程**（实质）。  
进程与程序的关系：

数据结构=程序+数据+PCB  
程序与进程不是一一对应关系。

### 二、进程的状态及组成 ###

**（1）三种基本状态**

*  运行态：进程正在处理机上运行的状态。
 *  就绪态：进程已获得了除处理机之外的所有必要资源，只要获得处理机就可以运行的状态。
 *  阻塞状态：进程由于等待输入输出操作或某个同步事件而暂停运行时，就处于阻塞状态。  
    ![在这里插入图片描述][5f0cee90e9f943019f85aef2b54f7021.png]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态转化</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>就绪态→运行态</td> 
   <td>处于就绪态的进程具备了运行条件，但未能获得处理机而没有运行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>运行态→就绪态</td> 
   <td>正在运行的进程由于规定的时间片用完而暂停执行</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>运行态→阻塞态</td> 
   <td>正在运行的进程可能需要等待某些资源（例如进程请求I/O、等待某个事件或请求访问某个临界资源）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>阻塞态→就绪态</td> 
   <td>获得所等待的条件和资源，具备了运行条件</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

注意：没有**阻塞态→运行态**和**就绪态→阻塞态**

**(2)五种状态的状态转换图**  
![在这里插入图片描述][e8af117d81004a28bbe2739a18d02e70.png]  
**（3）进程的挂起状态**  
**挂起状态的作用：**

*  **内外存对换的需要**：为了缓解内存的紧张，我们可以将处于阻塞状态的作业调到外存。
 *  用户调试程序的需要：用户需要调试修改自己的程序时，需要把进程调入到挂起状态。
 *  实时系统中调节负载的需要  
    ![在这里插入图片描述][99af6fd648a4486daf1b46ebc263576a.png]  
    **（4）进程控制块（PCB）**  
    进程通常有程序段、数据段、栈栈和PCB四部分构成，进程控制块是进程存在的唯一的标识。  
    PCB的作用：就是使程序能成为独立运行的单位，并可和其他进程并发执行。  
    **进程控制块PCB的内容：**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>进程描述信息</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>进程名</td> 
   <td>创建者提供的名字</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>进程标识符</td> 
   <td>区分每一个进程（系统通常为进程分配一个唯一的整数）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>用户名</td> 
   <td>创建该进程用户的名字</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>处理机状态信息</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>通用寄存器</td> 
   <td>当进程运行时用于暂存信息的</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>指令计数器</td> 
   <td>存放要访问的下一条指令</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>程序状态字（PSW）寄存器</td> 
   <td>包括程序执行的状态信息，如执行方式，中断允许位</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>栈指针</td> 
   <td>每个程序都有一个或多个与之相关的地址栈</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>进程调度信息</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>进程状态</td> 
   <td>指明该进程所处的状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>进程优先级</td> 
   <td>表示进程的优先级，优先级高的先获得处理机</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>运行统计信息</td> 
   <td>这些信息与采用的调度算法有关，包括进程执行的时间，等待的时间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>进程阻塞的原因</td> 
   <td>记录进程阻塞的原因</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>进程控制和资源占有量信息</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>程序入口地址</td> 
   <td>进程对应程序和数据的内存地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>程序的外存地址</td> 
   <td>进程被调出使用的地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>进程同步及通信机制</td> 
   <td>进程在执行中，可能与其他进程有同步关系，进程的信号量都有存放在PCB中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>资源占有信息</td> 
   <td>列出了除CPU之外进程所需要的全部资源及已经占用的资源情况</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>链接指针</td> 
   <td>本进程所在队列的下一个进程的PCB的地址</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 三、进程控制 ###

**操作系统的内核：**  
核心态：具有较高的特权，能执行一切命令，访问所有寄存器和存储区。  
用户态：具有较低特权，只能执行规定的命令，访问指定的寄存器和存储区。  
内核：

*  硬件的第一次延伸。
 *  系统将一些与硬件紧密相关的模块放在内核，中断处理，时钟管理
 *  内核在执行某些基本操作时，往往是利用原语操作实现的。

原语：

*  原语由若干条指令构成、用于完成一定功能的过程。
 *  原语是“原子操作”。即一个操作中的所有动作，要么全做，要么全不做。换言之，原子操作是一个不可分割的操作。

**进程创建：**  
进程创建的事件：用户登录；新作业进入系统；提供服务；应用请求。  
创建原语要做的工作：申请空白PCB；为进程分配资源；初始化PCB（初始化进程描述信息，初始化处理机状态信息初，始化进程控制信息）；将新进程插入就绪队列。  
**进程的撤消：**  
引起进程撤消的事件：进程正常结束；进程异常结束；外界干预。  
撤消原语要做的工作：查找撤消进程的PCB若;处于执行状态，终止之，并进行进程调度；若有子孙，予以终止；归还资源；从所在队列移出。  
**进程的阻塞与唤醒：**  
引起进程阻塞的事件：请求系统服务；启动某种操作；数据尚未到达；无新工作可做。  
阻塞原语要做的工作：停止进程的执行；将进程插入阻塞队列，改变进程在PCB中的状态；重新调度。  
唤醒原语要做的工作：将进程从阻塞队列解下；将进程插入就绪队列；改变进程在PCB中的状态。  
**进程的挂起与激活：**  
挂起原语要做的工作：检查被挂起进程的状态；如进程处于就绪状态，将进程从就绪状态变为就绪挂起状态；如进程处于阻塞状态，将进程从阻塞状态变为阻塞挂起状态；如进程正在运行，将进程变为就绪挂起状态，并重新调度。  
激活原语要做的工作：检查被激活进程的状态；如进程处于就绪挂起状态，将进程从就绪挂起状态变为就绪状态；如进程处于阻塞挂起状态，将进程从阻塞挂起状态变为阻塞状态；若系统为抢占式系统，则进行进程调度。

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