「BUAA OS Course」进程
Part 0 基本概念
并发与并行
- 并发（Concurrent）：设有两个活动a1和a2，如果在某一指定时刻t，无论a1和a2是在同一处理机还是不同的处理机上执行，只要a1和a2都处在各自的起点和终点间的某一层处，则称a1和a2是并发执行的
- 并行（Parallel）：考虑两个程序，他们在同一时间度量下运行在不同的处理机上，则称这两个程序是并行执行的。
原语
由若干条指令所组成的指令序列，来实现某个特定的操作功能，有以下特点：
- 指令序列执行连续，不可分割
- 操作系统的核心组成部分
- 必须在管态（内核态）执行，并且常驻内存
- 区别于系统调用，不可以被中断
状态与转换
- 执行状态：进程正在处理机上运行，单处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于执行状态
- 就绪状态：进程获得了除处理机的一切所需资源，一旦得到处理机，便可立即运行
- 阻塞状态：进程正在等待某一事件而暂停运行，即使处理机空闲，该进程也不能运行
Part 1 进程控制
进程控制块
进程控制块（Process Control Block, PCB）是系统用来描述进程的基本情况和运行状态的数据结构。
由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像（进程实体）。创建进程，实质上是创建进程映像的PCB；撤销进程，就是撤销进程的PCB。
PCB是进程存在的唯一标志
内容
进程标识符
每个进程都有唯一的标识符，可以是字符串或数字。Linux中是一个整型数，在进程创建时由系统赋予。
程序和数据地址
把PCB和其程序与数据联系起来。
当前状态
系统设计时会将相同状态的进程组成一个队列，如就绪进程队列等。等待进程队列会按照等待的事件组成多个等待队列，如等待打印机队列、等待磁盘I/O完成队列等。
现场保护区
当进程因为某种原因不能继续占用CPU时，（等待打印机等），释放CPU，这时，需要将CPU的各种状态信息保护起来，将来再次得到处理机时，恢复CPU的各种状态，继续运行。
同步与同步机制：
用于实现进程间互斥、同步和通信所需的信号量等。
优先级
反应进程的紧迫程度，通常由用户指定和系统设置。
资源清单
列出所拥有的除CPU外的资源记录，如I/O设备、打开的文件列表等。
链接字
根据进程所处的执行状态，进程相应的PCB加入到不同队列中。链接字指出该进程所在队列中下一个进程PCB的首地址。
组织方式
- 线性表：将所有PCB连续存放在内存的系统区。
- 连接方式线性表的改进，系统按照进程的状态建立就绪索引表、阻塞索引表等，从而形成就绪队列、下阻塞队列、运行队列等。
- 索引方式
进程上下文切换与陷入内核
进程上下文切换（Process Context Switch）
- 通常由调度器执行
- 保存进程执行断点
- 切换内存映射（页表基址、flush TLB）
陷入/退出内核（模态切换，Mode Switch）
- CPU状态改变
- 由中断、异常、Trap指令（系统调用）引起
- 需要保存执行线程（寄存器、堆栈等）
进程的创建
允许一个进程创建另一个进程，创建者称父进程，被创建的进程为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源。子进程被撤销时，将从父进程获得的资源归还给父进程。撤销父进程时，须同时撤销其所有子进程。
- 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB。若PCB申请失败，则创建失败。
- 为进程分配资源，为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间（在PCB体现）。若资源不足（如内存空间），则并非创建失败，而是处于阻塞态，等待内存资源。
- 初始化PCB，包括初始化标志信息、处理机状态信息、处理机控制信息以及进程的优先级等。
- 若进程就绪队列可以接纳新进程，将新进程插入就绪队列，等待被调度运行。
进程的终止
引起进程终止的时间主要有：
- 正常结束，表示进程任务完成并准备退出运行
- 异常结束，表示进程运行时，发生某种异常事件，使程序无法继续运行，如，存储区越界、保护错、非法指令等
- 外界干预，指进程应对外界的请求而终止运行，如操作员或操作系统干预、父进程请求和父进程终止
操作系统终止进程的过程如下（撤销原语）：
- 根据被终止进程的标识符，检索PCB，从中读出该进程的状态
- 若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的指向性，将处理机资源分配给其他进程
- 若该进程还有子（孙）进程，将其所有子（孙）进程终止
- 将该进程拥有的全部资源，或归还给父进程，或归还给操作系统
- 将PCB从所在队列（链表）中删除
进程的阻塞和唤醒
正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如，请求系统资源失败、等待某种操作的完成，由系统自动执行阻塞原语（Block），使自己由运行态转为阻塞态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞态。阻塞原语的执行过程如下：
- 找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB
- 若该进程为运行态，保护其现场，将其状态转为阻塞态，停止运行
- 将该PCB插入相应事件的等待队列，将处理机资源调度给其他就绪线程
当该进程所期待的时间发生，如其启动的I/O操作已完成或其所期待的数据已到达，由有关进程（如释放该I/O设备的进程，或提供数据的进程）调用唤醒原语（Wakeup），将等待该事件的进程唤醒。唤醒原语的执行过程如下：
- 在该事件的等待队列中找到对应进程的PCB
- 将其从等待队列中移出，并置其状态为就绪态。
- 将该PCB插入就绪队列，等待调度
值得注意的是，Block原语和Wakeup原语是一堆作用恰好相反的原语，须成对使用。Block由阻塞进程自我调用实现，Wakeup由一个被唤醒进程合作或其他相关的进程调用实现。
进程切换
对于通常的进程，其创建、撤销及要求由系统设备完成的I/O操作，都是利用系统调用而进入内核，再由内核中的相应处理程序予以完成。进程切换同样是在内核的支持下实现的，因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。
进程切换指处理机从一个进程的运行转到另一个进程的运行，在这个过程中，进程的运行环境产生了实质性的变化。进程切换的过程如下：
- 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器
- 更新PCB
- 把进程的PCB移入相应的队列，如，就绪、在某事件阻塞队列
- 选择另一个进程执行，并更新其PCB
- 更新内存管理的数据结构
- 恢复处理机上下文
注意，进程切换和处理机模式切换不同。模式切换时，处理机逻辑上可能还在同一进程中运行。若进程因中断或异常进入核心态运行，执行完后又回到用户态刚被中断的程序运行，则操作系统只需恢复进程进入内核时所保存的CPU现场，而无需改变当前进程的环境信息。但若要切换进程，当前运行进程改变了，则，当前进程的环境信息也需要改变。
注意：“调度”和“切换”的其区别。调度是指决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为；切换是指实际分配的行为，是执行行为，一般来说，先有找资源的调度，然后才有进程的切换
Part 2 进程的组织
进程控制块
进程创建时，操作系统为它新建一个PCB，该结构之后常驻内存，任意时刻可以读取，并在进程结束时删除。PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。
进程执行时，操作系统通过PCB了解进程的现行状态信息，以便控制和管理；进程结束时，系统回收PCB，进程随之消亡。操作系统通过PCB表来管理和控制进程。
程序段
程序段是能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段。注意，程序可以被多个进程共享，即，多个进程可以运行同一个程序。
数据段
一个进程的数据段，可以是进程对应的程序架构处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。
Part 3 进程的通信
进程通信指进程之间的信息交换。PV操作是低级通信方式，高级通信方式是指以较高的效率传输大量数据的通信方式，有以下三类：
共享存储
通信的进程之间存在一块可以直接访问的共享空间，对这片共享空间读/写实现进程之间的信息交换。对共享空间进行读/写时，需要使用同步互斥工具（如P操作，V操作），对共享空间的读/写进行控制。
共享存储分为两种：低级方式的共享是基于数据结构的共享，高级方式的共享是基于存储区的共享。操作系统为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，数据交换由用户自己安排读/写指令完成。
This is copyright.