第2章 进程管理

2.1 进程的概念

2.1.1 程序的顺序执行（P36）

 * 顺序程序活动的特点：

   严格地按顺序执行。

   程序本身的动作才能改变程序的运行环境。

   程序的执行结果与程序运行的速度无关。

2.1.2 多道程序设计（P37）

 * 同时运行多个程序，每个程序都分配有各自的存储区和外部设备，

   而CPU是共享的。

   程序等待输入输出结果时，就调度其它程序在CPU上运行。

2.1.3 程序并发执行时的特征（P38）

 1.失去封闭性：资源的状态受到并发程序的共同影响，

   程序计算结果与并发程序的相对速度有关。

 2.程序与计算不再一一对应（P39）

   程序：指令有序集合，是“静态”的。

   计算：指令序列在处理机上的执行过程，是“动态”的。

 3.并发程序在执行期间可以相互制约（P39）

   例如：程序A、B都调用打印程序P，若A已经调用P，则B只能等待。

2.1.4 进程的定义（P40）

 1.进程概念的引入

   程序：机器能翻译或执行的一组动作或指令，是静态的。

   进程(process)：任务(task)，程序动态执行过程。

 2.进程的定义

  * 进程的定义：程序在并发环境中的执行过程。

    程序比作菜谱，进程比作烹调。

  * 进程和程序的区别：

   (1)程序是静态的，程序是长期保存的软件资源。

      进程是动态的，进程是程序执行的过程，

      有生命期，有产生和消亡。

      例如：执行命令 $ date

   (2)进程是能独立运行的单位，能并发执行。

      程序有顺序执行的性质，不插入无调用关系的程序运行。

   (3)程序和进程无一一对应关系。

   (4)各个进程在并发执行过程中会产生相互制约关系。

 3.进程的特征

   动态性：有生有亡，有活动有停顿。

   并发性：

   调度性：进程是系统中申请资源的单位，也是被调度的单位。

   异步性：各进程向前推进的速度是不可预知的，即异步方式运行。

   结构性：

   进程由程序段、数据段和控制结构（如进程控制块）等组成。

2.2 进程的状态和组成

2.2.1 进程的状态及其转换（P43）

 1.进程的基本状态

   运行态(Running)：程序正在处理机上执行时的状态。

   就绪态(Ready)：进程已具备运行条件。

   阻塞态(Blocked)：

   进程因等待某种事件发生而暂时不能运行的状态。

 2.进程状态的转换

   就绪->运行、运行->阻塞、阻塞->就绪。

2.2.2 进程的组成（P45）

 1.进程的组成（P45）

  * 进程实体（进程映象）：由程序、数据集合和进程控制块组成。

  * 进程控制块PCB(Process Control Block)：

    描述进程状态和特性的数据结构。

 2.进程控制块的组成（P46）

  * 进程控制块（进程描述块 Process Descriptor)：

    含有进程的描述信息和控制信息。

  * 进程控制块包括内容：

    进程名、进程状态信息、调度优先权、通信信息、现场保护区、

    资源需求、分配和控制方面的信息、进程实体信息、族系关系。

 3.进程控制块的作用（P46）

   操作系统根据PCB对进程实施控制和管理。

2.2.3 进程队列（P47）

 1.线性方式：

   静态分配空间，把所有进程的PCB都放在PCB线性队列中，

   在执行CPU调度时要对整个表进行扫描。

 2.链接方式：

   按照进程的不同状态分别放在不同的队列中。就绪进程排成队列，

   通过PCB结构内部的拉链指针把同一队列的PCB链接起来。

   CPU调度程序把第一个PCB由该队列中摘下，令其投入运行。

 3.索引方式：

2.3 进程的管理和有关命令（P48）

 * 进程管理包括：创建进程、撤消进程、挂起进程、恢复进程、

   改变进程优先级、封锁进程、唤醒进程、调度进程。

2.3.1 进程的管理

 1.进程族系（P49）

   父进程创建子进程，子进程再创建子进程。

   开机—引导操作系统—生成0号进程—

   创建1号进程—创建命令解释进程(shell)。

 2.原语操作（P50）

  * 原语（primitive）：

    机器指令的延伸，完成特定功能的系统程序。

  * 原语操作：原子操作，操作中的动作全做或全不做。

 3.进程创建

   申请空闲的PCB—为新进程分配资源—

   将新进程的PCB初始化—将新进程加入到就绪队列中。

 4.进程终止

   找到并终止运行态指定进程的PCB；

   回收该进程所占用的全部资源；

   终止其所有子孙进程，回收全部资源；

   释放被终止进程的PCB，并从原来队列中摘走。

 5.进程阻塞（P51）

   停止进程的执行—保护进程的CPU现场—进程运行态改为阻塞……。

 6.进程唤醒

 7.进程映象的更换

   释放子进程原来的程序和数据所占用的内存空间；

   从磁盘上找出子进程所要执行的程序为数据；

   分配内存空间，装入新的程序和数据；……

2.3.2 进程的管理命令

 1.UNIX系统中进程状态（P52）

   用户态运行、核心态运行、创建态、终止态、

   在内存就绪、在内存睡眠、在内存暂停、

   在外存就绪、在外存睡眠、在外存暂停。

 2.UNIX系统中进程映象

  * PCB功能的结构：有proc结构和user结构。

  * proc结构的信息：

    进程状态、用户标志号（UID）、进程标志号（PID）、……。

  * user结构的信息：

    指向本进程proc结构的指针、实际的和有效的用户标志号、……。

  * UNIX系统中进程映象（P54）

 3.ps命令

   process status 显示进程状态。

   例如：在主控台tty01上键入命令。

   $ ps

   ps命令选项：长格式显示 -l

 4.sleep命令（P55）

   进程暂停秒数。

   $ sleep 60

 5.后台命令符 &

   前台命令马上执行，后台命令让前台命令先执行。

   $ ls -l/usr&

 6.wait命令

   等待后台进程结束。

   $ wait 2080

   等待PID为2080的后台进程结束。

 7.kill命令

   终止进程的运行。

   # kill 678

 8.nice命令

   nice值：0 — 39，默认值：20，

   nice增量值：

   普通用户（0 — 19），只能降低或维持优先级。例如：

  $ nice -n 10 cc f1.c

  编译f1.c时的nice值为20+10

   超级用户root（-20 — -1），可以提高优先级。例如：

  # nice -n -10 vi abc

  编辑abc时的nice值为20-10

2.4 进程的相互作用和通信

2.4.1 进程的同步与互斥（P56）

 1.同步

   同步：进程间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。

 例如：SPOOLing系统输入功能，设用进程A和B完成。

   进程A读信息到缓冲区；

   进程B加工缓冲区的信息并写到外存输入井中；

   制约关系：

   缓冲区取空内容时才能写入新信息，

   缓冲区写满内容才能取出内容加工。

 2.互斥

   互斥：进程竞争同一物理资源产生相互制约。

 例如：进程Pa分配打印机，进程Pb释放打印机。

 * Pa进程分配打印机的过程（P57）

   找出分配标志为0的打印机编号—标志置1—填写用户名和设备名。

 * Pb进程释放打印机的过程（P58）

   找出分配标志为1与被释放相同用户名的打印机编号—标志置0—

   清除该机用户名和设备名。

 * Pa和Pb不同时使用分配表，必须互斥执行，

   否则造成设备无法释放。

 3.临界资源和临界区

  * 临界资源（Critical Resource）

    一次仅允许一个进程使用的共享资源。

  * 临界区CS（Critical Section）

        进程访问临界资源的程序段。

  * 进入临界区的相互关系：

    一次仅允许一个进程进入；

    已有进程进入自己的临界区，其他进程必须等待；

    进程要限时内退出临界区；……

 2.4.2 同步机制及其应用

 1. 用锁操作原语实现互斥（P59）

  * 临界区设锁，进程操作步骤：

    关锁—执行临界区程序—开锁退出临界区。

  * 关锁原语 lock(w):

    while (w = = 0);   //已打开

    w=1;               //关锁

  * 开锁原语 unlock(w):

    w=0;               //开锁

 2. 信号量及P，V操作原语（P60）

  * 信号量：信号灯。

    包含两个成员。整型变量（信号量的值），指向PCB的指针。

  * 信号的量值（S）：

    S>0：表示可用资源数；

    S<0：表示等待使用资源的进程数。

  * P(S)操作：wait操作，请求分配单位资源。

   S>0时，有资源可用，P操作请求分配单位资源，S=S-1。

   S<0时，无资源可用，排队等待别的进程释放资源。

  * V(S)操作：signal操作，释放单位资源。

   V操作释放单位资源，S=S+1；

   S>0时，有资源可用，则该进程继续运行；。

   S<=0时，有进程等待该资源，把PCB队头进程阻塞改为就绪。

 3. 用P，V原语实现互斥（P61）

    用P，V操作实现对打印机分配表的互斥操作。

 4. 用P，V原语实现简单同步（P62）

    简单供者和用者的关系

 5. 生产者—消费者问题（P64）

  * 环形缓冲池：绿色区有产品，蓝色区无产品。

  * in：生产者下次存入产品的单元。

  * out：消费者下次取出产品的单元。

2.4.3 进程间的通信（P66）

 1.共享存储器方式

   内存分配一片空间作为共享存储区。

 2.管道文件

   连接两个命令的一个打开文件。一个命令写入，一个命令读出。

 例如：UNIX系统中的两个命令间的通信：

   who | wc -l     //用户清单|统计文件

 3.消息传递方式

 (1)消息缓冲通信（P67）

   发送进程和接收进程利用消息缓冲队列进行通信。

 (2)信箱通信（P68）

   发送进程和接收进程利用信箱为中间设施进行通信。

  * 发送和接收消息的原语形式：

    send (mailbox,message)   //信箱、要发送的信息

    信箱格空时将消息送入相应信箱中。

    receive (mailbox,message)

    信箱满时将消息从信箱中取走。

自测题（P71）

 2.PCB的作用是什么？它是怎样描述进程的动态性质的？（P46、P275）

 3.进程的基本状态有哪几种？试描绘进程状态转换图。（P43、P275）

 7.什么是进程的互斥与同步？（P56、P275）

 10.简述信号量的定义和作用。P，V操作原语是如何定义的？

  （P60、P276）