進程

文章來源：(16條消息) 進程|操作系統_資資的博客-CSDN博客

一、進程的概念

1.1進程的定義

程序:指令序列
進程：程序段、數據段、PCB三部分組成了進程實體（進程映像）。
PCB是進程存在的唯一標志。

進程的定義：

• 進程是程序的一次動態執行。
• 進程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。
• 進程是具有獨立功能的程序在其數據集合上運行的過程，他是系統調度和資源分配的一個獨立單位。

1.2進程組成

1.3進程的組織

進程組織方式	描述
鏈式方式	按照進程的狀態將PCB分為多個隊列，操作系統持有指向各個隊列的指針
索引方式	根據進程的狀態不同，建立幾張索引表，操作系統持有指向各個索引表的指針

1.4進程的特征

• 動態性
• 並發性
• 獨立性
• 異步性

二.進程的狀態和轉換

2.1三種基本狀態

狀態	概念
就緒	已經具備運行條件，但是由於沒有空閑CPU，而暫時不能運行
運行	占有CPU，正在CPU上運行
阻塞	等待某一事件的發生，暫時不能運行

2.2另外兩種狀態

	1）創建狀態
	2）結束狀態

狀態	概念
創建	進程正在被創建，操作系統為進程分配資源，初始化PCB
結束	進程正在從系統中撤銷，操作系統會回收進程擁有的資源，撤銷PCB

2.3進程狀態的轉換

運行->阻塞：一種進程自身做出的主動行為（進程用“系統調用”的方式申請某種系統資源，或者請求等待某個事件的發生）
阻塞->就緒：不是進程自身能控制的，是一種被動行為

三、進程控制

進程控制的主要功能就是對系統中的所有進程實施有效的管理，它具有創建進程、撤銷已有進程、實現進程狀態轉換的功能。

3.1用原語實現進程控制

原語：執行期間不允許中斷，只能一氣呵成
（原語采用“關中斷”和“開中斷指令”實現）

關中斷和開中斷的權限非常大，只允許在核心態下執行的特權指令

進程控制相關的原語

• 更新PCB中的信息
  1. 所有的進程控制原語都一定會修改進程狀態標志
  2. 剝奪當前運行進程的CPU使用權必然需要保存其運行環境
  3. 某進程開始運行前必然要恢復其運行環境
• 將PCB插入合適隊列
• 分配/回收資源

四、進程通信

進程通信：進程之間信息交換
進程是分配系統資源的單位，因此各個進程擁有的地址空間相互獨立

4.1共享存儲

兩個進程對共享空間的訪問必須是互斥的（互斥通過操作系統提供的工具實現（P、V））。
操作系統負責提供共享空間和同步互斥工具。

• 1）基於數據結構的共享
  低級通信

• 2）基於存儲區的共享
  高級通信

4.2消息傳遞

格式化消息

消息頭	消息體
發送進程 ID、接收進程 ID、消息類型、消息長度等格式化信息	消息內容

進程間交換的數據以格式化消息（Message）為單位。進程通過操作系統提供的“發送消息原語/接收進程原語”兩個原語進行數據交換。

• 1）直接通信方式
  消息直接掛到接收進程的消息緩沖隊列上。

• 2）間接通信方式
  消息要先發送到中間的實體（信箱）。

4.3.管道通信

“管道”是指用於連接讀寫進程的一個共享文件，又名pipe文件。它其實就是在內存中開辟一個固定大小的緩沖區。

管道只能采用“半雙工通信”，某一時間段內只能實現單向傳輸。如果需要實現雙向同時通信，則需要設置兩個管道。
各個進程要互斥的訪問管道。
數據以字符流的形式寫入管道，當管道寫滿時，寫進程的write()被阻塞。
如果沒有寫滿，不允許讀；如果沒讀空，就不允許寫。
讀進程只能有一個

五、線程概念

5.1為什么要引入線程

有的進程可能需要“同時”做很多事情，而傳統的進程只能串行地執行一系列程序。為此，引入“線程”來增加並發度。

傳統進程	引入線程
進程是程序執行流的最小單位	線程是程序執行流的最小單位
只能進程間並發	線程間也能並發
進程並發，需要切換進程的運行環境，系統開銷很大	如果是同一進程內的線程切換，則不需要切換進程環境，系統開銷小

5.2.線程的CPU

1. 線程是處理機調度的單位
2. 多CPU計算機中，各個線程可占用不同的CPU
3. 線程也有三種基本狀態
4. 同一進程的不同線程共享進程的資源
5. 同一進程的線程通信無需操作系統的干預，由於共享內存地址空間
6. 同一進程中的線程切換，不會引起進程切換
7. 不同進程中的線程切換，會引起進程切換
8. 切換同一進程中的線程，系統開銷小
9. 切換進程，系統開銷較大

5.3線程的實現方式

• 1）用戶級線程（User-Level Thread）
  用戶級線程由應用程序通過線程實現，所有的線程管理工作都有應用程序負責。
  用戶及線程中，線程的切換可以在用戶態下完成，無需操作系統干預。

在用戶看來，是有多個線程，但是在操作系統內核看來，並意識不到線程的存在，調度還是以進程為單位。

• 2）內核級線程（Kernel-Level Thread KLT）
  內核線程的管理工作由操作系統完成，線程調度、線程切換等工作也是由內核負責，因此內核級線程的切換必須要在核心態下才能完成。

• 3）兩者組合的方式
  操作系統只能感知內核級線程，因此只有內核級線程才是處理機分配的單位。

• 4）多線程模型
  多對一
  多個用戶級線程映射到一個內核級線程，每個用戶進程只對應一個內核級線程。

優點	缺點
用戶級線程的切換在用戶空間即可以完成，不需要切換到核心態，線程管理的系統開銷小，效率高	當一個用戶級線程被阻塞后，整個進程都會被阻塞，並發度不高，多個線程不能再多核處理機上並發執行
一對一
一個用戶級線程映射到一個內核級線程，每個用戶進程有與用戶級線程同樣數量的內核級線程。

優點	缺點
當一個線程被阻塞后，別的線程還可以繼續執行，並發能力強，多線程可在多核處理機上並行執行	一個用戶進程會占多個內核級線程，線程切換由操作系統內核完成，需要切換到核心態，因此線程管理成本高，開銷大
多對多

六、處理機調度

6.1調度基本概念

在多道程序系統中，進程的數量往往是多於處理機的個數的，這樣不可能同時並行的處理各個進程。
處理機調度：從就緒隊列中按照一定的算法選擇一個進程，將處理機分配給他運行，以實現進程的並發執行

6.2調度的三個層次

1）高級調度（作業調度）
高級調度（作業調度）是按一定原則從外存上處於后備隊列中的作業中選擇一個（或多個）作業，給他們分配內存等必要資源，並建立相應的進程（建立PCB），使他們獲得競爭處理機的權力。

2）中級調度（內存調度）
引入了虛擬存儲技術后，可將暫時不能用的進程調至外存等待，等他重新具備了運行條件且內存又稍微有空時，再重新調入內存。

暫時調到外存等待的進程狀態為掛起狀態，PCB並不會一起調到外存（操作系統還需要管理），而是會常駐內存，PCB會記錄進程數據在外存中存放的位置，進程狀態等信息。
操作系統通過內存中的PCB來保持對各個進程的監控、管理。被掛起進程的PCB會被放到掛起隊列中。

中級調度（內存調度）:就是要決定哪個處於掛起狀態的進程要重新調入內存。
一個進程可能會被多次調出、調入內存，因此中級調度發生的頻率要比高級調度更高。

3）低級調度（進程調度）
低級調度（進程調度），其主要任務就是按照某種方法和策略從就緒隊列中選取一個進程，將處理機分配給他。
進程調度是操作系統中的一種最基本的調度，在一般的操作系統中都必須配置進程調度。

七、調度算法評價指標

-CPU利用率（忙碌的時間/總時間）

系統吞吐量（單位時間內完成的作業，總共完成作業/總共花銷時間）
周轉時間（作業被提交給系統開始，到作業完成為止這段時間的間隔）
在后備隊列的等待時間+在就緒隊列的等待進程調度時間+CPU執行時間+等待I/O操作完成的時間
周轉時間=作業完成時間-作業提交時間
帶權周轉時間=作業周轉時間/作業實際運行時間
響應時間：用戶提交請求到首次產生響應所用的時間
調度算法

1.先來先服務

算法 特點
先來先服務 對長作業有利，對短作業沒利
考慮的是等待時間，等待時間越久優先級越高。

2.短作業優先

算法 特點
短作業優先 對長作業沒利，對短作業有利，可能產生飢餓現象
要求服務的時間越短，優先級越高
每次調度時選擇當前已經到達，且運行時間最短的作業/進程

3.高響應比優先

上述兩種算法的權衡折中

4.時間片輪轉

時間片太大 時間片太小
淪為FCFS，響應時間過長 頻繁的切換開銷太大

5.優先級調度算法

6.多級反饋隊列調度