進程管理
進程
進程是程序的一次執行
是一個程序及其數據在處理機上順序執行時所發生的活動
是具有獨立功能的程序在一個數據集合上的一次運行過程
是系統進行資源分配和調度的一個基本單位
是PCB結構、程序和數據的集合
設備分配只針對現有進程，不會創建進程
進程的特征：
- 動態性：進程的實質是程序的一次執行過程，因此，動態特征是進程最重要的特征
- 並發性：沒有為之建立進程的程序是不能並發執行的，僅當為之建立一個進程后才能參加
並發執行 - 獨立性：進程是一個能獨立運行的基本單位，同時也是系統分配資源和調度的獨立單位
- 異步性：由於進程間的相互制約，使進程具有執行的間斷性，即進程按各自獨立的、不可
預知的速度向前推進 - 結構特征：為了控制和管理進程，系統為每個進程設立一個進程控制塊--PCB
進程與程序的區別：
- 程序是進程的靜態文本，進程是執行程序的動態過程
- 進程與程序之間不是一一對應的，同一程序同時運行於若干不同的數據集合上，它將屬於若干個不同的進程；
一個進程可以執行多個程序 - 程序可作為軟件資源長期保存，進程只是一次執行過程，是暫時的
- 進程是系統分配調度的獨立單位，能與其他進程並發執行
進程狀態及其演變
進程執行的間斷性，決定了進程可能具有多種狀態
基本狀態
運行的進程可能具有就緒、執行、阻塞三種基本狀態
當進程已分配到除CPU以外的所有必要資源時，它便處於就緒狀態，一旦獲得CPU，便立即執行，進入執行狀態
正在執行的進程，由於發生某個事件而暫時無法執行時，便放棄處理機而進入阻塞狀態
由於執行的進程變為阻塞狀態后，調度程序立即把處理機分配給另一個就緒進程（因此，阻塞進程的事件消失后，進程不會立即恢復到執行狀態，而轉變為就緒狀態，重新等待處理機）
創建和終止
為了管理的需要，還存在着兩種比較常見的進程狀態，即創建狀態和終止狀態
創建狀態：
引起創建的事件：
- 用戶登錄
- 作業調度：為被調度的作業創建進程
- 提供服務：要求打印
- 應用請求
創建一個進程一般要通過兩個步驟：
- 首先，為一個新進程創建PCB，並填寫必要的管理信息；
- 其次，把該進程轉入就緒狀態並插入就緒隊列之中。
當一個新進程被創建時，系統已為其分配了PCB，填寫了進程標識等信息，但由於該進程所必需的資源或其它信息，如主存資源尚未分配等，一般而言，此時的進程已擁有了自己的PCB，但進程自身還未進入主存，即創建工作尚未完成，進程還不能被調度運行，其所處的狀態就是創建狀態。
引入創建狀態，是為了保證進程的調度必須在創建工作完成后進行，以確保對進程控制塊操作的完整性。同時，創建狀態的引入，也增加了管理的靈活性，操作系統可以根據系統性能或主存容量的限制，推遲創建狀態進程的提交。對於處於創建狀態的進程，獲得了其所必需的資源，以及對其PCB初始化工作完成后，進程狀態便可由創建狀態轉入就緒狀態。
終止狀態：
引起終止的事件：
- 正常結束
- 異常結束
- 外界干預
- 系統管理員kill
- 父進程終止
- 父進程請求
進程的終止也要通過兩個步驟：
- 首先等待操作系統進行善后處理
- 然后將其PCB清零，並將PCB 空間返還系統
當一個進程到達了自然結束點，或是出現了無法克服的錯誤，或是被操作系統所終結，或是被其他有終止權的進程所終結，它將進入終止狀態
進入終止態的進程以后不能再執行，但在操作系統中依然保留一個記錄，其中保存狀態碼和一些計時統計數據，供其它進程收集。一旦其它進程完成了對終止狀態進程的信息提取之后，操作系統將刪除該進程。
阻塞和喚醒
阻塞是進程自身的一種主動行為
a. 調用block原語
b. 停止執行，修改PCB進入阻塞隊列（一個或多個
喚醒由其他相關進程完成
a. wakeup原語
b. 修改PCB進入就緒隊列
掛起
為了系統和用戶觀察分析的需要，還引入了掛起操作，與掛起對應的是激活操作
當進程被掛起，便會進入靜止狀態：正在執行，便會暫停執行，處於就緒狀態則不接受調度
引入掛起狀態的原因有：
- 終端用戶的請求：當終端用戶在自己的程序運行期間發現有可疑問題時，希望暫時使自己的程序靜止下來。亦即，使正在執行的進程暫停執行；若此時用戶進程正處於就緒狀態而未執行，則該進程暫不接受調度，以便用戶研究其執行情況或對程序進行修改。我們把這種靜止狀態稱為掛起狀態。
- 父進程請求：有時父進程希望掛起自己的某個子進程，以便考查和修改該子進程，或者協調各子進程間的活動。
- 負荷調節的需要：當實時系統中的工作負荷較重，已可能影響到對實時任務的控制時，可由系統把一些不重要的進程掛起，以保證系統能正常運行。
- 操作系統的需要：操作系統有時希望掛起某些進程，以便檢查運行中的資源使用情況或進行記賬。
在引入掛起狀態后：
- 活動就緒→靜止就緒：當進程處於未被掛起的就緒狀態時，稱此為活動就緒狀態，表示為Readya
當用掛起原語Suspend 將該進程掛起后，該進程便轉變為靜止就緒狀態，表示為Readys，處於Readys狀態的進程不再被調度執行 - 活動阻塞→靜止阻塞：當進程處於未被掛起的阻塞狀態時，稱它是處於活動阻塞狀態，表示為Blockeda。當用Suspend原語將它掛起后，進程便轉變為靜止阻塞狀態，表示為Blockeds。處於該狀態的進程在其所期待的事件出現后，將從靜止阻塞變為靜止就緒
- 靜止就緒→活動就緒：處於Readys 狀態的進程，若用激活原語Active 激活后，該進程將轉變為Readya 狀態
- 靜止阻塞→活動阻塞：處於Blockeds 狀態的進程，若用激活原語Active 激活后，該進程將轉變為Blockeda 狀態
五個進程狀態的轉換
- NULL→創建：一個新進程產生時，該進程處於創建狀態
- 創建→活動就緒：在當前系統的性能和內存的容量均允許的情況下，完成對進程創建的必要操作后，相應的系統進程將進程的狀態轉換為活動就緒狀態
- 創建→靜止就緒：考慮到系統當前資源狀況和性能要求，並不分配給新建進程所需資源，主要是主存資源，相應的系統進程將進程狀態轉為靜止就緒狀態，對換到外存，不再參與調度，此時進程創建工作尚未完成
- 執行→終止：當一個進程到達了自然結束點，或是出現了無法克服的錯誤，或是被操作系統所終結，或是被其他有終止權的進程所終結，進程即進終止狀態
PCB
為了描述和控制進程的運行，系統為每個進程定義了一個數據結構——進程控制塊PCB(Process Control Block)，它是進程實體的一部分，是操作系統中最重要的記錄型數據結構
PCB 的作用是使一個在多道程序環境下不能獨立運行的程序(含數據)，成為一個能獨立運行的基本單位，一個能與其它進程並發執行的進程
- 作為獨立運行基本單位的標志
- 能實現間斷性的運行方式
- 提供進程管理所需要的信息
- 提供進程調度所需要的信息
- 實現與其他進程的同步與通信
PCB中的信息：
- 進程標識符：用於惟一地標識一個進程，一個進程通常有兩種標識符：
- 內部標識符，在所有的操作系統中，都為每一個進程賦予了一個惟一的數字標識符，
它通常是一個進程的序號。設置內部標識符主要是為了方便系統使用。 - 外部標識符，它由創建者提供，通常是由字母、數字組成，往往是由用戶(進程)在訪問該進程時使用。為了描述進程的家族關系，還應設置父進程標識及子進程標識。此外，還可設置用戶標識，以指示擁有該進程的用戶。
- 內部標識符，在所有的操作系統中，都為每一個進程賦予了一個惟一的數字標識符，
- 處理機狀態：主要是由處理機的各種寄存器中的內容組成的。處理機在運行時，許多信息都放在寄存器中。當處理機被中斷時，所有這些信息都必須保存在PCB 中，以便在該進程重新執行時，能從斷點繼續執行。這些寄存器包括
- 通用寄存器，又稱為用戶可視寄存器，它們是用戶程序可以訪問的，用於暫存信息，在大多數處理機中，有 8～32 個通用寄存器，在RISC 結構的計算機中可超過100 個
- 指令計數器，其中存放了要訪問的下一條指令的地址
- 程序狀態字PSW，其中含有狀態信息，如條件碼、執行方式、中斷屏蔽標志等
- 用戶棧指針，指每個用戶進程都有一個或若干個與之相關的系統棧，用於存放過程和系統調用參數及調用地址，棧指針指向該棧的棧頂。
- 進程調度信息：在 PCB中還存放一些與進程調度和進程對換有關的信息，包括
- 進程狀態，指明進程的當前狀態，作為進程調度和對換時的依據
- 進程優先級，用於描述進程使用處理機的優先級別的一個整數，優先級高的進程應優先獲得處理機
- 進程調度所需的其它信息，它們與所采用的進程調度算法有關，比如，進程已等待CPU的時間總和、進程已執行的時間總和等
- 事件，指進程由執行狀態轉變為阻塞狀態所等待發生的事件，即阻塞原因。
- 進程控制信息：
- 程序和數據的地址，指進程的程序和數據所在的內存或外存地(首)址，以便再調度到該進程執行時，能從PCB中找到其程序和數據
- 進程同步和通信機制，指實現進程同步和進程通信時必需的機制，如消息隊列指針、信號量等，它們可能全部或部分地放在PCB 中
- 資源清單，即一張列出了除CPU 以外的、進程所需的全部資源及已經分配到該進程的資源的清單
- 鏈接指針，它給出了本進程(PCB)所在隊列中的下一個進程的PCB的首地址。
PCB的組織方式
在一個系統中，通常可擁有數十個、數百個乃至數千個PCB。為了能對它們加以有效的管理，應該用適當的方式將這些PCB組織起來。目前常用的組織方式有以下兩種。
- 線性方式：將系統種所有PCB都組織在一張線性表中，將該表首地址存在內存的一個專用區域
實現簡單，開銷小，但是每次都需要掃描整張表，適合進程數目不多的系統 - 鏈接方式：把同一狀態的PCB鏈接成一個隊列，形成就緒隊列、若干個阻塞隊列和空白隊列等
對其中的就緒隊列常按進程優先級的高低排列，優先級高排在隊前，此外，也可根據阻塞原因的不同而把處於阻塞狀態的進程的PCB排成等待I/O 操作完成的隊列和等待分配內存的隊列等 - 索引方式：系統根據所有進程的狀態建立幾張索引表，例如就緒索引表、阻塞索引表等，並把各索引表在內存的首地址記錄在內存的一些專用單元中，在每個索引表的表目中，記錄具有相應狀態的某個PCB在PCB址
進程的控制
進程控制是進程管理最基本的功能，主要包括創建新進程，終止已完成的進程，將發生異常的進程置於阻塞狀態，進程運行中的狀態轉換等
進程創建
參數：進程標識、優先級、進程起始地址、CPU初始狀態、資源需求等等
創建進程的過程：
- 創建一個空白PCB
- 為新進程分配所需資源
- 初始化PCB
- 標識信息，將系統分配的標識符和父進程標識符填入新PCB
- 處理機狀態信息，使程序計數器指向程序入口地址，使棧指針指向棧頂
- 處理機控制信息，將進程設為就緒/靜止狀態，通常設為最低優先級
- 如果就緒隊列能接納，則插入
進程終止
進程終止的時機/時間：
- 正常結束
- 異常結束
- 越界錯，訪問的存儲區越出該進程的區域
- 保護錯，試圖訪問不允許訪問的資源，或以不適當的方式訪問（寫只讀）
- 非法指令，試圖執行不存在的指令（可能是程序錯誤地轉移到數據區，數據當成了指令）
- 特權指令出錯，用戶進程試圖執行一條只允許OS執行的指令
- 運行超時，執行時間超過指定的最大值
- 等待超時，進程等待某件事超過指定的最大值
- 算數運算錯，試圖執行被禁止的運算（被0除）
- I/O故障
- 外界干預
- 操作員或OS干預（死鎖）
- 父進程請求，子進程完成父進程指定的任務時
- 父進程終止，所有子進程都應該結束
終止過程：
- 根據被終止進程的標識符，從PCB集合中檢索出該PCB，讀取進程狀態
- 若處於執行狀態：立即終止執行，置調度標志為true，指示該進程被終止后重新調度
- 若進程有子孫進程：將其所有子孫進程終止
- 全部資源還給父進程/OS
- PCB從所在隊列/鏈表中移出
進程阻塞
阻塞的時機/事件
- 請求共享資源失敗，系統無足夠資源分配
- 等待某種操作完成
- 新數據尚未到達（相互合作的進程）
- 等待新任務
阻塞過程：進程通過block
進程喚醒
原語wakeup，和阻塞成對使用
喚醒過程：先把被阻塞的進程從該事件阻塞隊列移出，將其PSB狀態改為就緒，再插入就緒隊列
進程同步
制約關系
- 資源共享關系（間接制約
- 需要互斥的訪問臨界資源
- 相互合作關系（直接制約
臨界資源：一次只允許一個進程訪問的資源
- 引起不可再現性是因為臨界資源沒有互斥的訪問
臨界區
while(1){
entry; //進入區
critical; //臨界區
exit; //退出區
}
各進程應互斥進入相關臨界區，所謂臨界區是指一段代碼，一段程序
同步機制應該遵循：
- 空閑讓進
- 忙則等待
- 有限等待
- 讓權等待：不能進入臨界區的執行進程放棄cpu執行權
整形信號量
信號量機制是一種進程間的低級通信方式
s是一個整形量，除了初始化外，僅通過兩個原子操作wait(s)和signal(s)訪問（也叫P，V操作）
wait(s){
while(s<=0);
s--;
}
signal(s){
s++;
}
互斥關系：A，B共享一個緩沖區，互斥
PA(){
while(1){
wait(s);
// 臨界區
signal(s);
// 剩余區
}
}
PB(){
while(1){
wait(s);
// 臨界區
signal(s);
// 剩余區
}
}
main(){
s=1; //init
// begin
PA();
PB();
// end
}
前驅關系：P1，P2同步，P2→P1
PA(){
P(s);
a1;
}
PB(){
a2;
V(s);
}
總結：
- 互斥的模式：PV總是成對出現在同一進程中；
- 同步的模式：PV總是成對出現在不同進程中；
- 前驅關系：有多少前驅關系設置多少個信號量，初值為0；有多少前驅做多少P操作，有多少后繼結點做多少V操作，無前驅不做P操作。
信號量表示的是臨界資源數
初值為2，表示初始時有2個可用的資源，若現在為-1，說明這兩個可用資源已經被占用了，而且有一個進程在等待資源
初值為3，表示初始時有3個可用的資源，若現在為1，表示有兩個資源被進程訪問了，可用資源變為1，沒有進程會等待
為了使兩個進程同步運行，至少2個信號量
例題
1.桌上有一空盤，允許存放一只水果，爸爸可向盤內放蘋果或桔子，兒子專等吃桔子，女兒專等吃蘋果
semaphore s,so,sa=1,0,0;
father(){
while(1) {
wait(s);
// 將水果放入盤中；
if(放入的是桔子)
then signal(so);
else signal(sa);
}
}
son(){
while(1){
wait(so);
// 從盤中取出桔子
signal(s);
// 吃桔子
}
}
daughter() {
while(1){
wait(sa);
// 從盤中取出蘋果
signal(s);
// 吃蘋果
}
}
main()
{
// cobegin
father();
son();
daughter();
// coend
}
2.某寺廟，有小、老和尚若干，由小和尚提水入缸供老和尚飲用，水缸可容10桶水，水取自同一個井中，水井窄，每次只能容一個桶取水，水桶總數3個，每次入缸取水桶僅為1桶，且不可同時進行，試給出有關取水，入水的算法
mutexj = 1;
mutexg = 1;
empty = 10;
full = 0;
count = 3;
old(){
while(1) {
wait(full); //缸中有無水
wait(count); //有無桶
wait(mutexg); //取水前
Fetch from gang;
signal(mutexg);
signal(count);
signal(empty); //通知小
}
}
little(){
while(1) {
wait(empty); //缸中有無空
wait(count); //有無桶
wait(mutexj); //取水前
Fetch from well;
signal(mutexj);
wait(mutexg); //倒水前
pour;
signal(mutexg);
signal(count);
signal(full); //通知老
}
}
記錄型信號量
整形信號量中S<=0就會不斷地測試，未遵循讓權等待，而是處於忙等
解決方案：建立一個進程鏈表list，連結所有等待該類資源的進程
typedef struct{
int value;
struct process_control_block *list
}semaphore;
wait(semaphore *S){
S->value--;
if(S->value < 0)
block(S->list);
}
signal(semaphore *S){
S->value--;
if(S->value <= 0)
wakeup(S->list);
}
- S->value>0時，表示系統中可用資源的數目
- 當S->value＜0時，S->value的絕對值表示阻塞進程的數目
- 如果S->value的初值為1，表示只允許一個進程訪問臨界資源，此時的信號量轉化為互斥信號量
AND信號量
要么全分配，要么一個也不分配
不用時有可能發生死鎖
Swait(s1,s2,…,sn){
while(1){
if (s1>=1& …&sn >=1){
for(i=1;i<=n;i++) si--;
break;
}
else{
//將進程放入與找到的第一個si<1的si相關的阻塞隊列中
//並將該進程的程序計數設置為swait操作的開始
}
}
}
Ssignal(s1,s2,…,sn){
while(1){
for (i=1;i<=n;i++){
si++;
//將與si關聯的隊列中等待的所有進程都移動到就緒隊列中
}
}
}
信號量集
為提高效率而對AND信號量的擴充
允許一次申請多種資源多個
ti為分配下限值，Si>=ti則不分配，di為該進程需求值
Swait(S1, t1, d1, …, Sn, tn, dn){
while(1){
if（Si>=ti& … &Sn>=tn)
for (i=1;i<=n;i++)
Si=Si-di;
else{
//將進程放在Si＜ti的第一個Si的阻塞隊列中
//並將該進程的程序計數設置為swait操作的開始
}
}
}
Ssignal(S1, d1, …, Sn, dn){
while(1){
for (i=1;i<=n;i++) {
Si =Si+di;
//將與si關聯的隊列中等待的所有進程都移動到就緒隊列中
}
}
}
Swait(S,d,d)：允許每次申請d個資源，少於d不分配
Swait(S,1,1)：S>1記錄型信號量，S=1互斥形信號量
Swait(S,1,0)：可控開關，S>=1時允許同時進入，S<1時不允許
經典進程同步問題
生產者-消費者*
定義數據結構
int n;
typedef item = xxx; //產品類型
item buffer [n]; //緩沖池
int in = 0,out = 0;
int counter = 0; //產品數
緩沖池滿時，生產者等待；為空時，消費者等待
記錄型信號量
semaphore mutex=1，empty=n,full=0
item buffer[n]; //緩沖池
int in = 0,out = 0;
int main()
{
cobegin:
producer();
consumer();
coend
}
producer(){
while(1){
…
produce an item in nextp;
…
wait(empty);
wait(mutex);
buffer[in]=nextp;
in=(in+1)%n;
signal(mutex);
signal(full);
}
}
consumer(){
while(1) {
wait(full);
wait(mutex);
nextc=buffer[out];
out=(out+1)%n;
signal(mutex);
signal(empty);
consumer the item in nextc;
}
}
P操作的順序至關重要，順序不當可能導致死鎖（有緩沖池使用權，無緩沖）
V操作的順序無關緊要
當緩沖區只有一個時，mutex可省略
AND信號量
semaphore mutex=1,empty=n,full=0;
item buffer[n];
int in=0,out=0;
main(){
cobegin
producer();
consumer();
coend
}
producer()
{
while(1)
{
...
produce......;
...
Swait(empty,mutex);
buffer[int]=nextp;
in = (in+1)mod n;
Ssignal(mutex,full);
}
}
consumer(){
while(1){
Swait(full,mutex);
nextc=buffer[out];
out=(out+1)%n;
Ssignal(mutex,empty);
consumer......;
}
}
哲學家進餐
5個哲學家圍坐，用5只筷子吃面，筷子交替擺放
記錄型信號量
設5個信號量表示5只筷子
AND信號量
同上
讀-寫*
讀進程可共享對象，寫進程不可
設整形變量readcount讀者數，wmutex讀寫互斥，rmutex互斥訪問
記錄型信號量：
semaphore rmutex=1,wmutex=1;
int readcount=0;
int main(){
cobegin:
reader();
writer();
coend;
}
reader(){
while(1){
wait(rmutex);
if(readcount==0) wait(wmutex);//無人讀才能寫
readcount++;
signal(rmutex);
...
read......
...
wait(rmutex);
readcount--;
if(readcount==0) signal(wmutex);
signal(rmutex);
}
}
writer(){
while(1){
wait(wmutex);
...
write......
...
signal(wmutex);
}
}
寫優先
semaphore rmutex=1,wmutex=1,s=1;
int readcount=0;
int main(){
cobegin:
reader();
writer();
coend;
}
reader(){
while(1){
wait(s);//!
wait(rmutex);
if(readcount==0) wait(wmutex);//無人讀
readcount++;
signal(rmutex);
signal(s);//!
...
read......
...
wait(rmutex);
readcount--;
if(readcount==0) signal(wmutex);
signal(rmutex);
}
}
writer(){
while(1){
wait(s);//!
wait(wmutex);
...
write......
...
signal(wmutex);
signal(s);//!
}
}
信號量集
#define RN 20//最大讀者數
semaphore L=RN，mx=1;
int main(){
cobegin:
reader();
writer();
coend;
}
reader(){
while(1){
swait(L,1,1);
swait(mx,1,0);
...
read......
...
wait(rmutex);
ssignal(L,1);
}
}
writer(){
while(1){
swait(mx,1,1);
swait(L,RN,0);
...
write......
...
ssignal(mx,1);
}
}
管程
將同步操作的機制和臨界資源結合到一起，避免了要使用臨界資源的進程自備同步操作
管程：一個數據結構和能為並發進程所執行的一組操作
包括：1. 局部對於管程的共享變量，2. 對該數據結構操作的一組過程，3. 對局部管程數據設初值
Monitor m_name{ //管程名
variable declarations; //共享變量說明
cond declarations; //條件變量說明
public: //能被進程調用的過程
void P1(…); //對數據結構的操作過程
{}
void P2(…);
{}
...
void Pn(…);
{}
...
{
//管程主體
//初始化代碼
}
}
生產者-消費者
建立管程PC，包括：
- 二過程：put(item)過程；get(item)過程；
- 一變量：count>=n時滿，<=0時空
- 初始值：in=out=count=0
Monitor PC{
item buffer[N];
int in out;
condition notfull,notempty;
int count;
public:
void put(item x){
if(count>=N)cwait(notfull);
buffer[in]=x;
in=(in+1)%N;
count++;
csignal(notempty);
}
void get(item x){
if(count<=0)cwait(notempty);
x=buffer[out];
out=(out+1)%N;
count--;
csignal(notfull);
}
}
void producer(){
item x;
while(1){
//produce
PC.put(x);
}
}
void consumer(){
item x;
while(1){
PC.get(x);
//consume
}
}