第二章 進程管理
2.1 前驅圖和程序執行
前驅圖是一個有向無循環圖，記為DAG，可用於描述程序/進程之間執行的前后關系。
程序的順序執行：在計算機系統中只有一個程序在運行，這個程序獨占系統中所有資源，其執行不受外界影響，一道程序執行完后另一道才開始。
特點：順序性、封閉性、可再現性（程序的結果與運行時間無關，只與初始條件有關）
程序的並發執行：若干程序同時在系統中執行，這些程序的執行的執行在時間上是重疊的，一個程序的執行尚未結束，另一個程序的執行已經開始。
特點：間斷性、失去程序的封閉性（多個程序共享系統中的資源，資源狀態將由多個程序來改變）、不可再現性
進程
進程的定義：進程就是程序關於某個數據集合的一次執行過程。能夠更加真實的描述並發
進程實體：程序段、相關的數據段、進程控制塊PCB。
進程是指進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。
進程=程序+數據+PCB
如果進程中有n個進程，運行進程最多1個，最少0個；就緒進程最多n-1個，最少0個；等待進程最多n個，最少0個
進程的特征：1.結構特征（由程序段、數據段、進程控制塊三部分組成）；
2.動態性（進程是程序的執行）；
3.並發性（多個進程可同存於內存中，能在一段時間內同時運行）；
4.獨立性（獨立運行的基本單位，獨立獲得資源和調度的基本單位）；
5.異步性（各進程按各自獨立的不可預知的速度向前推進）；
進程的三種基本狀態
就緒狀態：進程已經獲得除CPU外的所有資源，得到CPU，就立即可以運行
就緒隊列：處於就緒狀態進程所在隊列
運行狀態：正在運行的進程所處的狀態
阻塞/等待狀態：進程正等待某一事件發生（如等待輸入輸出完成），這時即使給它CPU也無法運行
阻塞隊列：系統根據阻塞原因設置多個隊列來管理處於阻塞狀態的進程
五狀態：創建狀態（許可）、終止狀態（釋放）
七狀態：掛起狀態（暫時被淘汰出內存的進程）（引入原因：終端用戶請求、父進程請求、負荷調節需要、操作系統需要）
進程控制塊（PCB）：為了描述和控制進程運行系統為每個進程定義的數據結構，記錄了OS所需的、用於描述進程當前情況以及控制進程運行的全部信息。
PCB的內容：
進程描述信息：描述標識符（唯一，通常一個整數）；進程名（通常基於可執行文件名）；用戶標識符（進程的家族關系）；
進程控制信息：當前狀態，優先級，代碼執行入口地址，程序的外存地址，運行統計信息，進程間同步和通信，阻塞原因，進程的隊列指針，進程的消息隊列指針
所擁有的資源和使用情況：已分配到該進程的資源清單，打開文件列表
CPU現場保護信息：通用寄存器、指令寄存器、棧指針（存放過程和系統調用的參數和調用地址）
PCB的作用：
將一個不能獨立運行的程序變成一個可以獨立運行的基本單位，一個能與其他進程並發執行的進程。
OS利用PCB來對並發執行的過程進行控制和管理，PCB是OS感知進程存在的唯一標志
進程與PCB是一一對應的；PCB應常駐內存。
PCB表組織方式
系統把所有進程的PCB組織在一起，並把它們放在內存的固定區域，就構成了PCB表。
PCB表的大小決定了系統中最多可同時存在的進程個數，稱為系統的並發度
相同狀態的進程組成一個鏈表，不同狀態對應不同的鏈表
對具有相同狀態的進程，分別設置各自的PCB索引表，存放這些進程PCB在PCB表中的地址。
2.2 進程控制
● 進程控制是對系統中的所有進程實施管理
創建一個新進程、終止一個已完成的進程、終止一個因出現某事件而無法運行下去的進程、負責進程運行中狀態的轉換
● 進程控制一般由OS內核的原語來實現
原語：一種特殊的功能調用，它可以完成一個特定的功能 （特點：不可打斷，常駐內存，運行在管態）
常見原語：創建原語Create 終止原語Destory 阻塞原語Block 喚醒原語Wakeup 掛起原語Suspend 激活原語Active
Q：普通的程序可以實現進程控制嗎？
A：不能，用戶無法訪問PCB表；不是原語操作會被打斷，被中斷后，程序運行狀態不穩定
進程創建
1.申請空白PCB
2.為新進程分配資源 如內存
3.初始化進程控制塊
4.將新進程插入就緒隊列
Q：什么事件可以引起創建進程？
A：作業調度，用戶登錄，提供服務（打印等），應用請求（創建多個子進程，並發執行，提高速度）
進程終止
1.根據被終止進程的標識符，從PCB表中檢索出該進程的PCB
2.若被終止進程處於執行狀態，應立即終止執行，並置調度標志為真 （CPU空閑）
3.結束該進程所有子孫進程的執行，以防成不可控進程（類似刪除文件夾）
4.將進程所擁有的資源交給父進程或系統進程
5.釋放PCB
進程終止原因：正常退出、異常退出、外界干預
進程的阻塞與喚醒
阻塞：當一個進程所期待的事件還未出現時，自己調用阻塞原語將自己阻塞 （主動行為）
引起原因：請求系統服務（請求打印機）、啟動某種操作（輸入未完成時請求）、新數據尚未到達、無新工作可做
喚醒：當被阻塞進程所期待的事件出現時，則由有關進程調用喚醒原語將該進程喚醒
（處於阻塞狀態的進程不可能自己喚醒自己，必須由合作進程用喚醒原語喚醒它）
進程的掛起與激活：系統利用對應原語進行
2.3 線程
線程引入的原因：應用的需要、開銷/性能的考慮
線程的開銷較小：（創建一個新線程花費時間少，兩個線程切換花費的時間少，線程之間相互通信不用調用內核）
線程：進程中的一個運行實體，是CPU的調度單位，有時將線程稱為輕量級進程
線程的內容：程序計數器、寄存器組（不運行時需要保存上下文）、堆棧、子線程、狀態（可轉換）
線程共享所在進程的地址空間和其它資源，可以創建、撤銷另一個線程
線程的分類 用戶級線程、內核級線程、混合級線程
2.4 進程同步
並發是所有問題產生的基礎，並發是操作系統設計的基礎
進程互斥
由於各進程要求使用共享資源（變量、文件等），這些資源需要排他性使用。各進程之間競爭使用這些資源，這一關系稱為進程互斥。
臨界資源（互斥資源、互斥變量）：系統中某些資源一次只允許一個進程使用
臨界區（互斥區）：各個進程中對某個臨界資源（共享變量）實施操作的程序片段
使用原則：空閑讓進、忙則等待、有限等待、讓權等待
進程同步
指系統中多個進程中發生的事件存在某種時序關系，需要共同合作完成一項任務（一個進程需要另一個進程喚醒）
生產者、消費者問題 ★★★
問題描述：1.一個或多個生產者 生產某種類型的數據放置在緩沖區中
2.有消費者從緩沖區中取數據，每次取一項
3.只能有一個生產者或消費者對緩沖區進行操作
要解決的問題：
1.當緩沖區已滿時，生產者不會繼續向其中添加數據
2.當緩沖區為空時，消費者不會從中移除數據
參考代碼：
生產者() { i=0; while(1) { //生產產品； P(mutex); //往buffer[i]放產品 i=(i+1)%n; V(mutex); V(full); } } 消費者() { while (1) { P(full); P(mutex); //從Buffer[j]取產品 j=(j+1)%n; V(mutex); //消費產品 } }
因有M個生產者，N個消費者，會對有界緩沖區進行操作，必須互斥使用，需設置一個互斥信號量mutex，初值為1.
<可設置兩個同步（資源）信號量：分別代表空緩沖區數目（初值為緩沖區大小）和已用緩沖區數目（初值為0）>
2.5 信號量機制
信號量就是OS提供管理共有資源的有效手段；信號量代表可用資源的實體的數量
整型信號量 未遵循“讓權等待”導致“忙等”。
定義為一個整型量，除初始化外，由兩個標准原子操作Wait(S)（P操作）和singal(S)（V操作）來訪問
P,V操作是原子操作，不可中斷！
記錄型信號量
記錄型信號量機制采取“讓權等待”策略，避免了整型信號量出現的“忙等”現象。
實現：一個用於代表資源數目的整型變量value，一個用於鏈接所有阻塞進程的進程鏈表queue
P操作：申請資源，減量操作 s.value=s.value-1;當s.value<0時，表示資源分配完，進行自我阻塞
V操作：釋放資源，增量操作 s.value=s.value+1;當s.value<=0時，喚醒s.queue中的等待進程
value>0:代表可用資源數量 value<0：代表由於申請資源而阻塞的進程
AND型信號量
將進程在整個運行過程中所需要的資源一次性全部分配給進程，待進程使用完后再一起釋放，只要尚有一個資源未分配給進程，其它所有可能為之分配的資源也不分配給它。（實現：在wait 操作中，增加一個“AND”條件）
信號量集
<一次需要N個某類臨界資源時，就要進行N次P操作--低效又可能死鎖>
同時需要多個資源、每種占用的數量不同、且可分配的資源還存在一個臨界值時的信號量處理，在一次原語操作中完成所有的資源申請。
一般“信號量集”未必成對使用 如：一起申請，但不一起釋放
swait(s,d,d)表示每次申請d個資源，少於d個時不分配
信號量的應用
利用信號量實現進程互斥
只需為臨界資源設置一互斥信號量mutex，設其初始值為1；將各進程臨界區置於wait(mutex)和singal(mutex)之間即可；
1 semaphore mutex=1; 2 P1() 3 { 4 while(1) 5 { 6 wait(mutex); 7 //臨界區 8 signal(mutex); 9 //剩余區 10 } 11 }
用信號量機制解決進程同步問題 ★★★
1.定義信號量（資源信號量、互斥信號量）
2.給信號量賦初值
3.對信號量進行P,V操作
① 互斥信號量的P，V操作總是成對出現
② 資源信號量的P,V操作可能出現在合作進程中。
2.6 管程機制
信號量機制的缺點：進程自備的同步操作，P(S)和V(S)操作大量分散在各個進程中，不易管理，易發生死鎖。
解決方法：引入管程：為每個可共享資源設立一個專門的管程，統一管理各進程對該資源的訪問（封裝同步操作，隱蔽細節，簡化調用）
管程：由關於共享資源的數據結構及在其上操作的一組過程組成。進程只能通過管程中的過程來間接地訪問管程中的數據
管程解決的問題：互斥、同步
管程是互斥進入的，設置條件變量及等待/喚醒操作已解決同步問題（可讓一個進程或管程在條件變量上等待（此時，應釋放管程的使用權），也可以通過發送信號將等待在條件變量上的進程或線程喚醒）
管程通常用於管理資源，管程中有進程等待隊列和相應的等待和喚醒操作
2.7 進程通信
引入原因：信號量及管程的不足：不適用多處理器的情況（解決進程間同步問題、通信問題）
基本通信方式：消息傳遞、共享內存、管道