【操作系统】第七课

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-03-21 13:42 380阅读 0赞

> 课程来源《操作系统\_清华大学(向勇、陈渝)》

进程描述、进程状态、线程、进程间通信、进程互斥与同步、死锁

进程描述：进程定义、进程的组成、进程的特点、进程控制结构

进程状态：进程的生命周期、进程状态变化模型、进程挂起模型

**1.进程的定义**

OS系统从只能跑一个程序到能跑多个。

进程可以描述程序的执行过程。

进程：一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程（操作系统把写的程序调入到内存中之后，让程序可以执行起来，也就是通过CPU执行程序中的一条条指令，然后对相应的数据进行处理，可以完成一定功能，这个过程是一个动态的过程，所以进程可以理解为静态的程序通过操作系统放入内存中，让CPU执行起来，形成一个动态的执行过程，这个执行过程就可以理解为进程）。

静态的程序通过操作系统放入内存中，让CPU执行起来，形成一个动态的执行过程，这个执行过程就可以理解为进程。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

只有当一个程序被OS加载到内存中，cpu对其执行时，这个过程是动态的，称为进程。

**2.进程的组成**

进程包含了正在运行的一个程序的所有状态信息 ：  
 程序的代码  
 程序处理的数据  
 要知道现在执行哪条指令，程序计数器中的值指示将运行的指令。  
 CPU寄存器会动态变化，一组通用寄存器的当前值，堆，栈等；  
 各种系统资源，文件，内存，外存，网络

进程与程序的联系 ：（进程是一个动态的执行过程，程序是一个静态的代码）  
1.程序是进程的基础，代码控制操作，可以多次执行程序，  
2.程序的每次运行构成不同的进程；（因为每次程序调用的过程使用数据可能不同，进程是一个动态过程，包含很多状态信息，包括数据和各种资源）  
3.进程是程序功能的体现；  
4.通过多次执行——某一个程序可对应多个进程；  
5.通过调用关系——某一个进程可包括多个程序。

进程与程序的区别：  
1.程序是静态的，有序代码的集合；  
进程是动态的，进程是程序的执行，可以有核心态/用户态，写的代码都是用户态，但有些操作比如读写文件只能由OS完成，OS代表进程在内核中执行，此时为核心态；  
2.进程是暂时的，是状态变化的过程，程序永久，程序可长久保存；  
3.组成不同，进程包括程序，数据（可能变化），进程控制块（即进程状态信息）

例子：  
食谱 = 程序；科学家 = CPU；原料 = 数据；做蛋糕 = 进程。  
**所以，进程可以看作是一件事，做这件事的方法是程序规定的，除此之外我们需要CPU去做这件事，当然我们也需要原料（数据）**。

当CPU做蛋糕时候突然有时，CPU可以在食谱（程序）上做个标记，把状态信息记录了起来，当再次回来的时候，可以根据记录继续做蛋糕了。【这个过程就是进程间的切换】

**3.进程的特点**

1.动态性，可动态地创建，结束进程；  
2.并发性（在一段时间内有多个程序在执行，不同于并行，是一个时间点有多个在跑，需多个CPU即多核，进程可以被独立调度并占用处理机运行）：  
3.独立性，正确性不受影响（通过OS给不同的进程分配不同页表，保证正确性/独立性）；  
4.制约性，因访问共享数据/资源或进程间同步产生制约，要同步互斥；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

描述进程的数据结构：进程控制块，PROCESS control block（ PCB ）

OS给每个进程都维护了一个PCB，保存与之有关的所有状态信息。

**4.进程控制结构**

PCB进程控制块：进程存在的唯一标识，操作系统管理控制进程运行所用的信息集合，描述进程的基本情况和运行变化的过程。

用PCB的生成，回收，组织管理来完成进程的创建、终止和管理。

PCB包含三大类信息：进程标识、处理机状态信息保存区、进程控制信息

PCB含有三大类信息：  
（1） 进程标识信息，哪个程序在执行，执行了几次（本进程的标识），产生者标识（父进程标识），用户标识  
（2） 处理机状态信息保存区，主要就是寄存器，保存进程的运行现场信息：

*  用户可见寄存器，程序使用的数据，地址
 *  控制和状态寄存器，程序计数器（pc），程序状态字（PSW）
 *  栈指针，过程调用/系统调用/中断处理和返回时需要用到  
    （3） 进程控制信息
 *  调度和状态信息，用于操作系统调度进程并占用处理机使用。运行状态？等待？进程当前的执行现状
 *  进程间通信信息，各种标识、信号、信件等
 *  进程本身的存储管理信息，即指向本进程映像存储空间的数据结构，内存信息，占了多少？要不要回收？
 *  进程所用资源，打开使用的系统资源，如文件
 *  有关数据结构连接信息，父进程，子进程，构成一个链，进程可以连接到一个进程队列，或链接到其他进程的PCB

PCB的组织方式：  
1.链表（便于插删，用于通用的OS）：同一状态的进程PCB为一链表，多个状态对应更多个不同的链表，就绪链表，阻塞链表  
2.索引表（数组，不利于插删，使用于固定数目的进程，相对创建更快捷）：同一状态的归入一个index表（每一个index指向PCB），就绪/阻塞索引表

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

**5.进程的生命周期原理**

进程生命期管理：创建—>运行—>等待—>唤醒—>结束

引起进程创建的3个主要事件：  
1.系统初始化时，创建INIT进程，INIT再负责创建其他进程；  
2.用户请求创建一个NEW PROCESS（新进程），  
3.正在运行的进程执行了创建进程的系统调用。

运行：  
内核选择一个就绪的进程，让它占用处理机（cpu）并执行 （那么为何选择，如何选择？）  
调度算法—-如何选择？

等待（阻塞）的三种情况：  
1.请求并等待系统服务，无法马上完成；  
2.启动某种操作（和其他进程协调工作），无法马上完成；  
3.需要的数据没有到达  
进程自己触发阻塞，因为只有自己才知道何时需要等待某事件

唤醒的情况：  
1.被阻塞进程需要的资源可被满足，  
2.被阻塞进程等待的事件到达，  
3.进程唤醒意味着可将该进程的PCB插入到就绪队列  
因为自身没有占用cpu执行，所以只能被OS或其他进程唤醒

结束的情形：  
1.自愿（正常退出，错误退出），  
2.强制性的（致命错误，被其他进程所杀）

**6.进程状态变化模型**

结束前的三种状态：运行态(running)，就绪态（ready 获得除CPU即处理机之外的一切资源，一旦得到CPU就可以运行），等待状态（阻塞态，blocked）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
创建态(new) 已创建还没就绪  
结束态(exit) 正在从OS中消失，PCB还存在

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

可能的状态变化如下：  
1.NULL-New: 一个新进程被产生出来执行一个程序，其中创建PCB，并对PCB进行初始化  
2.New-Ready：当进程被创建完成并初始化后，一切就绪准备运行时，变为就绪状态，也就是PCB中数据、资源等初始化完毕了。  
3.Ready-Running：处于就绪状态的进程被进程调度程序选中后，就分配到处理上来运行。  
4.Running-Exit：当程序表示它已经完成或者因出错，当前运行进程会由操作系统作结束处理。  
5.Running-Ready：处于运行状态的进程在其运行过程中，由于分配给它的处理机时间片用完而让出处理机。（谁去完成？OS）  
6.Running-Blocked：当进程请求某样东西且必须等待时。  
7.Blocked-Ready：当进程要等待某事件到来时，它从阻塞状态变到就绪状态。

**7.进程挂起**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

不同于进程阻塞。挂起时没有占用该内存空间，而是映像在磁盘上。类似虚存中，有的程序段被放到了硬盘上。

Suspend：把一个进程从内存转到外存。

挂起原因：可以合理、充分地利用系统资源。

两种挂起状态：  
 阻塞挂起，进程在外存等事件blocked suspend  
 就绪挂起，进程在外存，但进了内存就能执行ready suspend

与挂起相关的状态转换：  
挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存：可能有以下几种情况：  
1.阻塞到阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪状态进程要求更多内存资源时，会进行这种转换，以提交新进程或运行就绪进程；  
2.就绪到就绪挂起：当有高优先级阻塞（系统认为会很快就绪的）进程和低优先就绪进程时，系统会选择挂起低优先级就绪进程；  
3.运行到就绪挂起：对抢先式分时系统，当有高优先级阻塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可能会把运行进程转到就绪挂起状态。

挂起（Suspend）：在外存时的状态转换：  
1.阻塞挂起到就绪挂起（都在外存）：当有阻塞挂起进程因相关事件出现时，系统会把阻塞挂起进程转换为就绪挂起进程。  
2.解挂/激活 activate（外存到内存）：外存到内存，需要运行该进程时，可能有以下几种情况：

*  就绪挂起到就绪：没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程时，会进行这种转换；
 *  阻塞挂起到阻塞：当一个进程释放足够内存时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统认为会很快出现所等待的事件）进程转换为阻塞进程；

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
问题：OS怎么通过PCB和定义的进程状态来管理PCB，帮助完成进程的调度过程？

**用进程的观点来看待OS：**

有用户进程、磁盘管理进程、终端进程等等。以进程为基本结构的OS，底层为CPU调度程序（执行哪个？中断处理等），上面是各种进程。

**状态队列（一个状态队列包含多个进程的状态，且不同状态用不同的队列来表示）：**

1.由操作系统来维护一组队列，用来表示系统中所有进程的当前状态；  
2.不同的状态分别用不同的队列来表示（就绪状态队列、各种类型的阻塞队列）；  
3.每个进程的PCB都根据它的状态加入到相应的队列中，当一个进程的状态发生变化时，它的PCB从一个状态队列中脱离出来，加入到另外一个队列。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

**8.为什么使用线程**

更小的能独立运行的基本单位——线程

【案例】编写一个MP3播放软件，核心功能模块有三个：  
（1）从MP3音频文件当中读取数据；  
（2）对数据进行解压缩；  
（3）把解压缩后的音频数据播放出来。

单进程的实现方法(伪代码)：

while(TRUE){
    	Read();
    	Decompress();
    	Play();
    }

单进程实现方式：  
如果CPU能力不够强，排在前面的函数太慢，各个函数之间不能并发，影响实现效率。

多进程的实现方法（伪代码）：

程序1
    {
    	while(TRUE){
    		Read();
    	}
    }
    程序2
    {
    	while(TRUE){
    		Decompress();
    	}
    }
    程序3
    {
    	while(TRUE){
    		Play();
    	}
    }

多进程的变化方法：拆开函数，并发，轮着走。  
问题：进程间通信，共享数据？另外，维护进程的OS开销大；  
创建进程时，分配资源、建立PCB；撤销进程时，回收资源，撤销PCB；进程切换时，都要保存回复当前进程的状态信息。

**由此推出线程的概念。**

提出一种新的实体，满足以下特征（线程）：  
1.实体间可以并发执行，（进程间可以并发，但是存在进程间通信，还有共享数据的问题）  
2.共享相同的地址空间。  
而不是像进程，需要OS帮助通信和交换信息。

**9.什么是线程**

thread： 进程中的一条执行流程

重新理解进程，由两部分功能组成：  
（1）从资源组合管理的角度，进程把一组相关的资源组合起来，构成一个资源平台（环境），包括地址空间（代码段，数据段），打开的文件等各种资源；  
（2）从运行的角度，线程，即代码在这个资源平台上的一条执行流程 （线程）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

线程有自己的TCB，thread control block, 只负责这条流程的信息，包括PC程序计数器，SP堆栈，State状态，和寄存器。有不同的控制流，需要不同的寄存器来表示控制流的执行状态，每个线程有独立的这些信息，但共享一个资源。

线程=进程-共享资源

线程的优点：  
1.线程是控制流，一个进程中可以同时存在多个线程，  
2.各个线程并发执行，  
3.共享地址空间和文件等资源。

线程的缺点：  
如果一个线程写错了（破坏共享空间的资源），崩溃，如破坏了数据，会导致这个进程的所有线程都崩溃。

线程适用范围：高精计算中比如天气预报，代码相对统一，对性能要求高，用线程；

网络有关如开一个浏览器的N个页面，一个页面有问题所有的都关闭了，现在都改成了用进程。如Chrome，用的就是一个进程打开一个网页。

多线程，在进程空间内有多个控制流且执行流程不一样，有各自独立的寄存器和堆栈，但共享代码段，数据段，资源。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
线程与进程的比较：

1.进程是资源分配单元（内存，打开的文件，访问的网络），线程是CPU调度单位，CPU也是一种特殊的资源，要执行控制流需要的相关信息；  
2.进程拥有一个完整资源平台，而线程只独享必不可少的资源如寄存器和栈；  
3.线程同样具有就绪，阻塞和执行三种基本状态和转换关系；  
4.线程能减少并发执行的时空开销：

*  线程的创建时间比进程短（因为进程要创建一些对内存和打开的文件的管理信息，而线程可以直接用所属的进程的信息）
 *  线程的终止时间比进程短（因为同一进程内的线程有同一个地址空间，所有信息可以重用，线程信息可以重用，不用考虑资源的释放问题，所以终止时间很短）
 *  同一进程内的线程切换时间比进程短（因为同一进程内的线程有同一个地址空间，同一个页表，所以切换时间很短，而进程要切页表，开销大，访问的地址空间不一样，cache，TLB等硬件信息的访问开销大。）
 *  由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信

— 线程的创建时间、终止时间、同一进程内线程的切换时间都更短，因为进程要创建一些对内存和打开的文件的管理信息，而线程可以直接用所属的进程的信息，因为同一进程内的线程有同一个地址空间（所以切换时间很短），同一个页表，所有信息可以重用，无失效处理（线程信息可以重用，不用考虑资源的释放问题，所以终止时间很短）。而进程要切页表，开销大，访问的地址空间不一样，cache，TLB等硬件信息的访问开销大。另外线程的数据传递不用通过内核，直接通过内存地址可以访问到，效率很高。

**10.线程的实现**

三种实现方式：  
1.用户线程，在用户空间实现，OS看不到，由应用程序的用户线程库来管理；  
POSIX Pthreads, Mach C-threads  
2.内核线程，在内核中实现，OS管理的；  
Windows  
3.轻量级进程lightweight process：内核中实现，支持用户线程。  
Solaris, Linux

用户线程与内核线程间，可以是多对一，一对一，多对多。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

在用户空间实现的线程机制，不依赖于OS内核，有一组用户级的线程库函数来完成线程的管理，包括创建、终止、同步和调度等。

使用用户态线程的优缺点：  
优点：  
1.OS只能看到线程所属的进程，可用于不支持线程技术的多进程OS，  
2.每个进程都有私有的TCB列表来跟踪记录各个线程的状态信息（PC, 栈指针，寄存器），TCB由线程库函数来维护；  
3.切换线程也由线程库函数完成，无用户态/核心态切换，速度快；每个进程由自定义的线程调度算法。灵活。  
缺点：  
1.一个线程发起系统调用而阻塞，那整个进程都在等待（OS只能判断进程）；  
2.一个线程开始运行后，除非主动交出CPU使用权，否则所在进程中的其他线程都无法运行；  
3.由于时间片分给进程，多线程时时间片更少会慢。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

内核线程，OS内核来完成线程的创建终止和管理。OS的调度单位不再是进程而是线程。进程主要完成资源的管理。

内核维护PCB和TCB，PCB维护了一系列的TCB，具体调度是TCB完成，只要完成一次切换（或创建，终止）就要完成一次用户态到内核态的变化，系统调用/调用内核函数，OS开销比用户线程大。在一个进程中，某个内核线程阻塞不影响其他线程运行；时间片分给线程，多线程的进程自动获得更多CPU时间。Windows NT/2000/XP

轻量级进程 ：  
内核支持的用户线程。一个进程有一个或多个轻量级进程，每个轻量级进程由一个单独的内核线程来支持。

**11.上下文切换**

进程共享CPU，停止当前进程，并调度其他进程的切换叫做上下文切换。

1.必须在切换之前存储许多部分的进程上下文，  
2.切换后恢复让进程，不知道被暂停过，  
3.必须快速（上下文切换频繁），因为有时间开销所以也要尽量避免。

要存储哪些context？  
寄存器（pc,sp,…）,CPU状态等，一些时候可能会费时，所以我们应该尽可能避免。

进程执行中要关注寄存器，PC（进程执行到了什么地方），栈指针（调用关系，相应的局部变量位置）等。  
这些信息要被保存到PCB中，进程挂起时要把PCB的这些值重置，恢复到寄存器中去，使接下来进程可以继续在CPU上执行。

上下文切换的开销越小越好，且所有信息都与硬件紧密相连，所以OS中实现是用汇编代码。

需要知道哪些进程能切换？  
PC为活跃进程准备了进程控制块PCB，OS将不同PCB放在不同的状态队列链表里便于选择  
 就绪队列  
 等待I/O队列—-分为每个设备的队列  
 僵尸队列

**12.进程控制-创建进程**

允许一个进程创建另一个进程。此时创建者称为父进程，被创建的进程称为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源。当子进程被撤销时，应将其从父进程那里获得的资源归还给父进程。此外，在撤销父进程时，也必须同时撤销其所有的子进程。

在操作系统中，终端用户登录系统、作业调度、系统提供服务、用户程序的应用请求等都会引起进程的创建。操作系统创建一个新进程的过程如下（创建原语)：

1.为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB(PCB是有限的)。若PCB申请失败则创建失败。  
2.为进程分配资源，为新进程的程序和数据、以及用户栈分配必要的内存空间（在PCB 中体现）。注意：这里如果资源不足（比如内存空间），并不是创建失败，而是处于”等待状态“，或称为“阻塞状态”，等待的是内存这个资源。  
3.初始化PCB,主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息和初始化处理机控制信息，以及设置进程的优先级等。  
4.如果进程就绪队列能够接纳新进程，就将新进程插入到就绪队列，等待被调度运行。

**13.进程控制-加载和执行**

**14.进程控制-等待和终止进程**

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