进程

文章来源：(16条消息) 进程|操作系统_资资的博客-CSDN博客

一、进程的概念

1.1进程的定义

程序:指令序列
进程：程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。
PCB是进程存在的唯一标志。

进程的定义：

• 进程是程序的一次动态执行。
• 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。
• 进程是具有独立功能的程序在其数据集合上运行的过程，他是系统调度和资源分配的一个独立单位。

1.2进程组成

1.3进程的组织

进程组织方式	描述
链式方式	按照进程的状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针
索引方式	根据进程的状态不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针

1.4进程的特征

• 动态性
• 并发性
• 独立性
• 异步性

二.进程的状态和转换

2.1三种基本状态

状态	概念
就绪	已经具备运行条件，但是由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
运行	占有CPU，正在CPU上运行
阻塞	等待某一事件的发生，暂时不能运行

2.2另外两种状态

	1）创建状态
	2）结束状态

状态	概念
创建	进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB
结束	进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源，撤销PCB

2.3进程状态的转换

运行->阻塞：一种进程自身做出的主动行为（进程用“系统调用”的方式申请某种系统资源，或者请求等待某个事件的发生）
阻塞->就绪：不是进程自身能控制的，是一种被动行为

三、进程控制

进程控制的主要功能就是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建进程、撤销已有进程、实现进程状态转换的功能。

3.1用原语实现进程控制

原语：执行期间不允许中断，只能一气呵成
（原语采用“关中断”和“开中断指令”实现）

关中断和开中断的权限非常大，只允许在核心态下执行的特权指令

进程控制相关的原语

• 更新PCB中的信息
  1. 所有的进程控制原语都一定会修改进程状态标志
  2. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
  3. 某进程开始运行前必然要恢复其运行环境
• 将PCB插入合适队列
• 分配/回收资源

四、进程通信

进程通信：进程之间信息交换
进程是分配系统资源的单位，因此各个进程拥有的地址空间相互独立

4.1共享存储

两个进程对共享空间的访问必须是互斥的（互斥通过操作系统提供的工具实现（P、V））。
操作系统负责提供共享空间和同步互斥工具。

• 1）基于数据结构的共享
  低级通信

• 2）基于存储区的共享
  高级通信

4.2消息传递

格式化消息

消息头	消息体
发送进程 ID、接收进程 ID、消息类型、消息长度等格式化信息	消息内容

进程间交换的数据以格式化消息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息原语/接收进程原语”两个原语进行数据交换。

• 1）直接通信方式
  消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上。

• 2）间接通信方式
  消息要先发送到中间的实体（信箱）。

4.3.管道通信

“管道”是指用于连接读写进程的一个共享文件，又名pipe文件。它其实就是在内存中开辟一个固定大小的缓冲区。

管道只能采用“半双工通信”，某一时间段内只能实现单向传输。如果需要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
各个进程要互斥的访问管道。
数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()被阻塞。
如果没有写满，不允许读；如果没读空，就不允许写。
读进程只能有一个

五、线程概念

5.1为什么要引入线程

有的进程可能需要“同时”做很多事情，而传统的进程只能串行地执行一系列程序。为此，引入“线程”来增加并发度。

传统进程	引入线程
进程是程序执行流的最小单位	线程是程序执行流的最小单位
只能进程间并发	线程间也能并发
进程并发，需要切换进程的运行环境，系统开销很大	如果是同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，系统开销小

5.2.线程的CPU

1. 线程是处理机调度的单位
2. 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
3. 线程也有三种基本状态
4. 同一进程的不同线程共享进程的资源
5. 同一进程的线程通信无需操作系统的干预，由于共享内存地址空间
6. 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
7. 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
8. 切换同一进程中的线程，系统开销小
9. 切换进程，系统开销较大

5.3线程的实现方式

• 1）用户级线程（User-Level Thread）
  用户级线程由应用程序通过线程实现，所有的线程管理工作都有应用程序负责。
  用户及线程中，线程的切换可以在用户态下完成，无需操作系统干预。

在用户看来，是有多个线程，但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在，调度还是以进程为单位。

• 2）内核级线程（Kernel-Level Thread KLT）
  内核线程的管理工作由操作系统完成，线程调度、线程切换等工作也是由内核负责，因此内核级线程的切换必须要在核心态下才能完成。

• 3）两者组合的方式
  操作系统只能感知内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

• 4）多线程模型
  多对一
  多个用户级线程映射到一个内核级线程，每个用户进程只对应一个内核级线程。

优点	缺点
用户级线程的切换在用户空间即可以完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高	当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高，多个线程不能再多核处理机上并发执行
一对一
一个用户级线程映射到一个内核级线程，每个用户进程有与用户级线程同样数量的内核级线程。

优点	缺点
当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强，多线程可在多核处理机上并行执行	一个用户进程会占多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理成本高，开销大
多对多

六、处理机调度

6.1调度基本概念

在多道程序系统中，进程的数量往往是多于处理机的个数的，这样不可能同时并行的处理各个进程。
处理机调度：从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程，将处理机分配给他运行，以实现进程的并发执行

6.2调度的三个层次

1）高级调度（作业调度）
高级调度（作业调度）是按一定原则从外存上处于后备队列中的作业中选择一个（或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应的进程（建立PCB），使他们获得竞争处理机的权力。

2）中级调度（内存调度）
引入了虚拟存储技术后，可将暂时不能用的进程调至外存等待，等他重新具备了运行条件且内存又稍微有空时，再重新调入内存。

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，PCB并不会一起调到外存（操作系统还需要管理），而是会常驻内存，PCB会记录进程数据在外存中存放的位置，进程状态等信息。
操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起进程的PCB会被放到挂起队列中。

中级调度（内存调度）:就是要决定哪个处于挂起状态的进程要重新调入内存。
一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。

3）低级调度（进程调度）
低级调度（进程调度），其主要任务就是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给他。
进程调度是操作系统中的一种最基本的调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。

七、调度算法评价指标

-CPU利用率（忙碌的时间/总时间）

系统吞吐量（单位时间内完成的作业，总共完成作业/总共花销时间）
周转时间（作业被提交给系统开始，到作业完成为止这段时间的间隔）
在后备队列的等待时间+在就绪队列的等待进程调度时间+CPU执行时间+等待I/O操作完成的时间
周转时间=作业完成时间-作业提交时间
带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行时间
响应时间：用户提交请求到首次产生响应所用的时间
调度算法

1.先来先服务

算法 特点
先来先服务 对长作业有利，对短作业没利
考虑的是等待时间，等待时间越久优先级越高。

2.短作业优先

算法 特点
短作业优先 对长作业没利，对短作业有利，可能产生饥饿现象
要求服务的时间越短，优先级越高
每次调度时选择当前已经到达，且运行时间最短的作业/进程

3.高响应比优先

上述两种算法的权衡折中

4.时间片轮转

时间片太大 时间片太小
沦为FCFS，响应时间过长 频繁的切换开销太大

5.优先级调度算法

6.多级反馈队列调度