2021-06-06 23:11 已编辑陕西科技大学 Java

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进程管理

1.进程的概念与特征

1.为什么引入进程？

为了提高系统的资源利用率，基于多道程序设计技术出现了多道批处理系统。但是由于多道程序环境下，允许程序并发执行，此时程序之间失去封闭性，并且具有间断性和不可再现的特征。程序的运行结果会出现不可预知的结果，所以引进了进程的概念，以便更好的描述和控制进程的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。

2.什么是进程？

为了使参与并发执行的程序能独立运行，因此需要设计一个独立的数据结构，称为进程控制块(PCB)，系统通过该数据结构描述进程的基本情况和运行状态，进而管理和控制进程。

进程是程序执行的一个实例，通过PCB描述，是一个包括程序代码、运行过程中的数据以及发生的活动的抽象描述。

PCB是进程存在的唯一标志，其中包括进程PID，上下文环境，进程状态，程序计数器，内存指针等等。

进程是进程实体的运行过程，是系统中进行资源调度和分配的一个基本单位。

3.进程的特征？

动态性：创建、活动、暂停、终止等过程，具有生命周期

并发性：多个进程实体同时存储与内存中，能在一段时间内同时运行

独立性：进程间可以独立运行，独立获得资源和独立接受调度，互不干扰

异步性：进程间的推进顺序是不可预知的，因此必须提供一些保证进程同步的机制

2.进程的状态转换

运行态：进程正在处理机上运行

就绪态：进程已获得除处理机之外的所有资源，一旦得到处理机，即可立即运行

阻塞态：又称等待态，进程正在等待某一事件的完成，如果等待的事件处理完毕或I/O设备空闲，则进入就绪态

创建态：正在创建描述进程的数据结构PCB，包括空间申请，PCB初始化，分配运行所必须的资源等等，尚未转到就绪态。

结束态：也称终止态，进程从系统中消失，可以是正常执行完，结果正确，进程退出；执行完，结果不正确，进程退出；进程执行过程出现不可修复的问题导致进程崩溃退出执行。
图片说明

3.进程控制

1.进程控制的主要功能

主要是对系统中的所有进程实施有效的管理，创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态切换等。

操作系统中，将进程控制用的程序段称为原语，原语的特点就是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。

2.进程创建

允许一个进程创建一个新进程。创建者称为父进程，被创建的进程称为子进程，子进程可以继承父进程的所拥有的资源

操作系统中，终端用户登录、作业调度、系统提供服务、用户程序的应用请求都会引起进程的创建。

创建新进程的过程如下：

（1）为新进程申请唯一的进程标识符PID，并申请一个空白的PCB，如果PCB申请失败，则会导致创建进程失败。

（2）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空间（如果资源不足，则不是创建失败，而是进程处于阻塞状态，等待内存资源）

（3）初始化PCB，初始化PCB中的控制信息

（4）若进程就绪队列能够接纳新进程，则会加入就绪队列（用一句话概括就是创建好之后会将PCB加入调度队列）

Linux中的进程创建如下，调用fork系统调用：

详细参 https://blog.csdn.net/qq_38410730/article/details/81193118

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>

int main(void)
{
    pid_t pid;

    pid = fork();
    if(pid < 0){
        ...                //打印fork()失败信息
    }else if(pid == 0){
        ...                //子进程代码
    }else{
        ...                //父进程代码
    }

    return 0;
}

3.进程终止

引起进程终止的事件：

（1）正常结束，程序执行完毕，任务完成退出运行

（2）异常结束，运行过程中发生了异常事件，比如存储区越界、保护错、非法指令、特权指令错、运行超时、算术运算错、I/O故障等，程序无法继续执行

（3）外界干预，进程应外界请求终止，如操作系统或程序员干预、父进程请求父进程终止

终止的过程如下：

（1）根据终止进程的标识符，检索PCB，读取进程状态

（2）若处于运行态，则立即剥夺处理机，将处理机交给其他进程

（3）若该进程有子孙进程，则终止所有子孙进程

（4）回收该进程的所有资源

（5）将PCB从调度队列中剔除

4.进程的阻塞和唤醒

正在执行的进程，由于期待的某件事没发生，如请求系统资源失败，等待某种I/O的完成，由系统自动执行阻塞原语，使自己由运行态变为阻塞态（自身主动行为）

阻塞原语执行过程如下：

（1）找到相应阻塞态的PCB

（2）如果为运行态，则保护现场，改变PCB中进程状态信息，停止运行

（3）将PCB挂入阻塞队列

如果进程期待的事件发生，唤醒原语执行如下：

（1）阻塞队列中找到相应PCB

（2）从等待队列中剔除，修改状态信息

（3）挂入就绪队列

注：Block阻塞原语和Wakeup原语是一对作用刚好想反的原语，需成对出现，阻塞原语是自我调用实现，而唤醒是别的进程调用实现

5.进程切换

进程的切换过程如下：

（1）保存上下文信息、程序计数器等

（2）更新PCB信息

（3）把PCB移入相应的队列

（4）选择另一个进程执行，更新PCB

（5）更新内存管理的数据结构

（6）恢复处理机上下文

6.进程的组织

进程控制块PCB：

（1）进程PID、用户UID

（2）进程状态

（3）优先级

（4）程序计数器

（5）内存指针

（6）处理机占用时间

（7）信号量使用

（8）资源分配清单

（9）处理机相关信息

进程的组织方式有链接方式和索引方式两种：

链接方式是将PCB根据状态划分，链成一个队列，不同状态对应不同的队列；

索引方式是将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的PCB，不同的状态对应不同的索引表。

程序段：进程执行的程序代码段

数据段：存储进程对应程序加工处理的原始数据，或者程序执行期间的中间数据或者执行结束的最终结果

7.进程间通信

1.共享存储

进程之间可以直接访问的共享空间，通过对这个共享空间的信息读写实现进程间的信息交换。低级方式是基于数据结构的共享，高级方式是基于存储区的共享。

2.消息传递

进程间的信息交换是以格式化的消息为单位的。通过发送消息和接收消息的两个原语实现数据交换。

直接通信方式

间接通信方式，又称信箱通信方式，通过中间载体信箱实现信息交换

3.管道通信

本质是一种特殊的文件，用于连接读进程和写进程，实现信息通信，又叫pipe文件

面向字符流、半双工通信、不可靠。

为了实现管道机制，实现双方通信，必须有保证互斥、同步、确认对方存在的能力

管道在Linux中是比较频繁的一种进程间通信方式

8.线程和多线程模型

1.为什么引入线程？

引入进程是为了更好的使多道程序并发，提高资源利用率和系统吞吐量；而引入线程的目的则是为了减小程序并发执行时所付出的时间开销，提高操作系统的并发性能。（另一方面，也可以说将并发粒度进一步细化，进程内部也可以通过线程并发执行提高资源利用率和系统吞吐量，比如QQ进程，其中文件传输、发消息、打视频即可通过线程实现）

2.线程和进程的比较

（1）调度：传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程；引入线程后，线程是调度的基本单位，进程事资源分配的基本单位。同一进程中的线程切换不会引起进程切换

（2）拥有资源：进程是资源分配的基本单位，而线程可以访问其隶属进程的系统资源

（3）并发性：进程并发，线程并发，大大提高了系统的并发性

（4）系统开销：线程切换所付出的代价远远小于进程切换带来的时间开销

（5）地址空间和其他资源（文件描述符）：进程地址空间相互独立，同一进程的线程共享进程的资源。

（6）通信方面：进程间通信需要通过其他机制保证，但线程间可以直接通过读写数据段（全局变量）实现通信

3.线程属性

线程ID，不同线程可以执行不同的程序，同一进程中的线程共享进程的资源，线程被处理机独立调度

4.线程的实现方式

用户级线程：所有线程相关的工作都有应用程序实现，内核意识不到线程的存在（线程库）

内核级线程：线程的管理工作由内核完成，应用程序没有线程管理的代码，只有一个到内核级线程的编程接口。