操作系统第二篇【进程管理】

忘是亡心i 2021-09-30 17:36 430阅读 0赞

# 进程的概述 #

首先，我们要明白一点：**程序不能独立运行，作为资源分配和独立运行的单位是进程。操作系统所具有的四大特征也都是基于进程而形成的。**

学习进程的前提：

*  前面也讲了操作系统的发展历史，我们知道未配置操作系统和单批到处理系统的程序是**按照顺序执行的**。**只有前边的程序执行完了，后边的程序才能执行。因此，CPU的利用率是非常低下的。**、
 *  为了能更好地描述程序的顺序和并发执行情况，我们先介绍用于**描述程序执行先后顺序的前趋图**。
 *  所谓前趋图(Precedence Graph)，是指一个有向无循环图，可记为DAG(Directed Acyclic Graph)，它用于**描述进程之间执行的先后顺序**。

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根据前趋图，我们就可以发现程序有以下的三个特性：

*  ① **顺序性**：指处理机严格地按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在下一个操作开始之前结束；
 *  ② **封闭性**：指程序在封闭的环境下运行，即程序运行时**独占全机资源**，资源的状态(除初始状态外)只有本程序才能改变它，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响；
 *  ③ **可再现性**：指只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，**不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都可获得相同的结果。**

但是，当程序中引入了并发这么一个概念的时候，会给程序带来新的特征：

*  **(1) 间断性**。
 *  **(2) 失去封闭性。**
 *  **(3) 不可再现性。**

**为什么要引入进程：**

在多道程序环境下，**程序的执行属于并发执行，此时它们将失去其封闭性，并具有间断性，以及其运行结果不可再现性的特征**。由此，决定了通常的程序是不能参与并发执行的，否则，程序的运行也就失去了意义**。为了能使程序并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制，人们引入了“进程”的概念**。

小总结：**引入进程就是为了能够让程序能够并发执行**！

**进程的定义：**

*  (1) 进程是程序的一次执行。
 *  (2) **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。**
 *  (3) **进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。**

**进程的特征：**

除了进程具有程序所没有的PCB结构外，还具有下面一些特征：

*  (1) 动态性。
 *  (2) 并发性。
 *  (3) 独立性。
 *  (4) 异步性。

## 进程的基本状态和装换 ##

一般而言，每一个进程至少应处于以下三种基本状态之一：  
\*\*(1) 就绪(Ready)状态。(2) 执行(Running)状态。(3) 阻塞(Block)状态。 \*\*

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## 进程控制 ##

进程控制是指系统使用一些**具有特定功能的程序段来创建、撤消进程以及完成进程各状态间的转换，从而达到多进程高效率并发执行和协调、实现资源共享的目的。**

进程的控制是通过**原语实现的。用于进程控制的原语有：创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语、挂起原语和激活原语等。**

> 一般，把系统态下执行的某些具有特定功能的程序段称为原语。  
> 原语可分为机器指令级原语和功能级原语。  
> 前者是一条语句，后者是一段代码。  
> 机器指令级原语的特点是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。  
> 功能级原语的特点是作为原语的程序段不允许并发执行。

*  1)活动就绪Readya→静止就绪Readys：Suspend原语
 *  2)活动阻塞Blockeda →静止阻塞Blockeds：Suspend原语
 *  3)静止就绪Readys→活动就绪Readya：Active原语
 *  4)静止阻塞Blockeds→活动阻塞Blockeda：Active原语

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**引起挂起状态的原因:**

1.  1)终端用户的请求。
2.  2)父进程的请求。
3.  3)负荷调节的需要。
4.  4)操作系统的需要。
5.  5)对换的需要。

## 进程与进程之间的关系 ##

![640?wx\_fmt=png][640_wx_fmt_png 3] 这里写图片描述

在进程有关系的时候有两种关系

*  互斥（间接制约）
 *  同步（直接制约）

### 信号量机制 ###

**信号量机制进程同步的一个工具，使用它能够合理地分配CPU资源，管理进程**

一般地，我们对资源分配的时候，我们有以下的原则：

*  **同步时将信号量设置为0**
 *  **互斥时将信号量设置为1**
 *  **有几个进程设置几个信号量**
 *  **当等于0的时候，表示资源与进程数平衡**
 *  **当大于0的时候，表示资源多，临界资源有余**
 *  **当小于0的时候，表示资源少**。

记录型信号量机制

*  **wait()（P操作）**
    
     *  **申请资源，减少**
 *  **signal()（V操作）**
    
     *  **释放资源，增加**

### 信号量的应用 ###

1.  **利用信号量实现进程互斥**

为使多个进程能互斥地访问某临界资源，只需为该资源设置一互斥信号量mutex，并设其初始值为1，然后将各进程访问该资源的临界区CS置于wait(mutex)和signal(mutex)操作之间即可。

1.  **利用信号量实现前趋关系**

还可利用信号量来描述程序或语句之间的前趋关系。设有两个并发执行的进程P1和P2。P1中有语句S1；P2中有语句S2。我们希望在S1执行后再执行S2。为实现这种前趋关系，**只需使进程P1和P2共享一个公用信号量S，并赋予其初值为0**，将signal(S)操作放在语句S1后面，而在S2语句前面插入wait(S)操作，即

在进程P1中，用S1；signal(S)；

在进程P2中，用wait(S)；S2；

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## 进程通信 ##

进程通信，**是指进程之间的信息交换**，其所交换的信息量大小不一。

**信号量机制在通信方面的缺点：1) 效率低；2) 通信对用户不透明。**

高级进程通信是指**用户可直接利用操作系统所提供的一组通信命令，高效地传送大量数据的一种通信方式。（往往我们都是使用高级进程通信的）**

### 进程的通信类型 ###

在进程通信的时候还有几种类型可分：

*  共享存储器系统
    
     *  在共享存储器系统中，**相互通信的进程共享某些数据结构或共享存储区**，进程之间能够通过这些空间进行通信。
 *  **消息传递系统**
    
     *  消息传递机制是使用**最广泛的一种进程间通信的机制（这种用的多）**
     *  **操作系统隐藏了通信的细节，简化了通信程序的编制。**
 *  管道通信
    
     *  管道是指用于**连接一个读进程和一个写进程以实现他们之间通信的一个共享文件，又名pipe文件。**

消息传递系统的实现方法又可以分几种：

*  直接通信方式
    
     *  1) 发送原语：Send（Receiver,message)；发送一个消息给接收进程
     *  2) 接收原语：Receive(Sender,message)；接收Sender发来的消息
 *  间接通信方式
    
     *  **通过信箱：指进程之间的通信，需要通过作为共享数据结构的实体。**

在间接通信的方式中，**信箱作为的是一个实体**

*  私用信箱
 *  公有信箱
 *  共享信箱

对于信箱而言也有几种关系：

*  一对一关系
 *  多对一关系
 *  一对多关系
 *  多对多关系

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