操作系统_Chapter3
第3章 进程描述和控制
- 操作系统的多数需求都涉及进程：
- 与普通计算机软件作用相同，是由处理器执行的一段程序或一组程序
- 必须交替执行多个进程，在合理的响应时间范围内使处理器的利用率最大
- 必须按照特定的策略给进程分配资源，同时避免死锁
- 为有助于构建应用的进程间通信和用户进程创建提供支持
3.1 什么是进程
3.1.1 背景
- 操作系统需要达到的目标：
- 资源对多个应用程序可用
- 处理器在多个程序间切换，保证所有程序都在执行中
- 处理器和I/O设备得到充分利用
3.1.2 进程和进程控制块
- 进程的几个定义：
- 一个正在执行的程序
- 一个正在计算机上执行的程序实例
- 能分配给处理器并由处理器执行的实体
- 由一组执行的指令、一个当前状态和一组相关的系统资源表征的活动单元
- 进程=程序+执行，可由如下元素表征：
- 标识符
- 状态
- 优先级
- 程序计数器（PC）
- 内存指针
- 上下文数据
- I/O状态信息
- 记账信息（处理器时间总和、使用的时钟数总和等）
- 进程控制块（process control block，PCB）：保存上述列表信息，由操作系统创建和管理
3.2 进程状态
- 列出为进程执行的指令序列，可描述单个进程的行为，这样的序列称为进程轨迹（trace）
- 分派器（scheduler）：使处理器切换进程
3.2.1 两状态进程模型
- 进程被分为运行态和非运行态
- 用排队图描述分派器的行为：当一个处于运行态的进程终止后，我们就要选一个处于非运行态的进程进入运行态
3.2.2 进程的创建和终止
进程的创建：操作系统建立用于管理该进程的数据结构，并在内存中分配地址空间
创建进程的原因：
事件 说明 新的批处理作业 磁带中的批处理作业控制流通常会提供给操作系统，当操作系统准备接收新工作时，将读取下一个作业控制命令 交互登录 终端用户登录到系统 为提供服务 操作系统创建一个进程，代表用户程序执行一个功能，使用户无需等待 由现有进程派生 基于模块化的考虑或开发并行性，用户程序可以指示创建多个进程 进程派生（process spawing）：操作系统为另一个进程显式请求创建一个进程的动作。（原进程为父进程，被派生的进程为子进程）
进程终止：操作系统发出一个服务请求，以终止发出请求的进程。
导致进程终止的原因：
1
2
3正常完成 超过时限 无可用内存 超出范围 保护错误
算术错误 时间超出 I/O失败 无效指令 特权指令
数据误用 操作员或操作系统干涉 父进程终止 父进程请求
3.2.3 五状态模型
两状态的问题：存在一些处于非运行态但已就绪等待执行的进程，也存在一些处于阻塞态等待I/O操作结束的进程
因此，若使用单个队列，分派器不能只考虑选择队列中最老的进程，而是扫描列表，查找未被阻塞且在队列中时间最长的进程
办法：将非运行态分成两个状态：就绪态（ready）和阻塞态（blocked）
状态 说明 运行态 进程正在执行 就绪态 进程已准备好，只要有机会就开始执行 阻塞/等待态 进程在某些事件发生前不能执行 新建态 刚刚创建的进程，还未加入到可执行进程组（进程控制块已创建但还未加载到内存中的新进程） 退出态 从可执行进程组释放出的进程（自身停止或被取消）
3.2.4 被挂起的进程
交换：把内存中某个进程的一部分或全部移到磁盘中，当内存中不存在就绪态的进程时，操作系统就把被阻塞的进程换到磁盘中的挂起队列（suspend queue）
挂起态（suspend）：内存中所有进程都处于阻塞态时，操作系统可把其中的一个进程置为挂起态，并把它转移到磁盘，此时内存所释放的空间就可被调入的另一个进程使用
- 就绪态：进程已在内存中并可以执行
- 阻塞态：进程已在内存中并等待一个事件
- 阻塞/挂起态：进程已在外存中并等待一个事件
- 就绪/挂起态：进程已在外存中，但只要载入内存就可执行
进程挂起的原因：
事件 说明 交换 操作系统需要释放足够的内存空间，以调入并执行处于就绪态的进程 其他OS原因 操作系统可能挂起后台进程或工具程序进程，或挂起可能会导致问题的进程 交互式用户请求 用户希望挂起一个程序的执行，以便调试或关联资源的使用 定时 进程可被周期性地执行，并在等待下一个时间间隔时挂起 父进程请求 父进程可能会希望挂起后代进程的执行，以检查或修改挂起的进程，或协调不同后代进程之间的行为
3.3 进程描述
3.3.1 操作系统的控制结构
- 操作系统构造并维护四种信息表以掌握每个进程和资源的当前状态：内存、I/O、文件和进程
- **内存表（memory table)**：用于跟踪内存和外存。包含以下信息：
- 分配给进程的内存
- 分配给进程的外存
- 内存块或虚存块的任何保护属性
- 管理虚存所需要的任何信息
- I/O表：管理计算机系统中的I/O设备和通道：
- 文件表（file table）：提供关于文件是否存在、文件在外存中的位置、当前状态和其他属性的信息
- 进程表（process tables）：必须有对内存、I/O、文件的直接或间接引用
3.3.2 进程控制结构
进程映像（process image）：程序、数据、栈和属性（PCB）的集合
元素 说明 用户数据 可修改的部分，包括程序数据、用户栈区域和可修改的程序 用户程序 待执行的程序 栈 每个进程有至少一个后进先出栈，用于保存参数、过程调用地址和系统调用地址 进程控制块 操作系统控制进程所需的数据 进程控制块信息分为三类：
- 进程标识信息
- 进程状态信息
- 进程控制信息
对所有操作系统中的进程标识符（process identification）来说，每个进程都分配了一个唯一的数字标识符，包括：
- 该进程的标识符（Process ID）
- 父进程的标识符
- 用户标识符（User ID）
处理器状态信息（processor state information）由处理器寄存器的内容组成，通常包括：
- 用户可见寄存器：用户模式下执行时可访问的寄存器
- 控制和状态寄存器：程序计数器、程序状态字（Program State Word，PSW）（通常包含条件码、状态信息）
- 栈指针：指向栈顶
进程控制信息（process control information）是操作系统控制和协调各种活动进程所需要的额外信息
- 调度和状态信息：进程状态、优先级、调度相关信息、事件
- 数据结构：进程可以以队列等结构链接到其他进程
- 进程间通信
- 进程特权
- 存储管理
- 资源所有权和使用情况
进程控制块的作用：操作系统中最重要的数据结构。每个PCB都包含操作系统所需进程的所有信息
3.4 进程控制
3.4.1 执行模式
用户模式（user model）：非特权模式
系统/控制/内核模式（kernel model）：特权模式
操作系统内核的典型功能：
功能 具体 进程管理 ①进程的创建和终止②进程的调度和分派③进程切换④进程同步和进程间通信的支持⑤管理进程控制块 内存管理 ①为进程分配空间②交换③页和段管理 I/O管理 ①缓冲器管理②为进程分配I/O通道和设备 支持功能 ①中断处理②记账③监视
3.4.2 进程创建
- 创建进程的步骤：
- 分配一个唯一的进程标识符
- 分配空间（包括进程映像中所有元素）
- 初始化PCB
- 设置正确的链接（放置就绪或就绪/挂起链表中）
- 创建或扩充其他数据结构
3.4.3 进程切换
进程执行的中断机制：
机制 原因 用途 中断 来自当前执行指令的外部 对异步外部事件的反应 陷阱 与当前执行指令相关 处理一个错误或一个异常条件 系统调用 显式请求 调用操作系统函数 中断：
- 时钟中断：当前运行进程的执行时间超过最大允许切换时间段（时间片time slice）
- 进程切换到就绪态，调入另一进程
- I/O中断：是否发生I/O活动
- 若I/O活动是一个或多个进程正在等待的事件，操作系统把所有阻塞态转换为就绪态
- 内存失效：处理器遇到一个引用不在内存中的字的虚存地址，操作系统需要从外存把包含这一引用的内存块调入内存
- 内存失效的进程进入阻塞态；操作系统切换进程，恢复另一进程的执行。等期望的块调入后，该进程置为就绪态
- 时钟中断：当前运行进程的执行时间超过最大允许切换时间段（时间片time slice）
陷阱（trap）：操作系统确定错误或异常条件是否致命
- 致命时，当前正运行进程置为退出态，并切换进程
系统调用（supervisor call）：系统调用时会将用户进程置为阻塞态
中断发生后并不一定进行进程切换，只是保存处理器状态信息，在控制权返回给该程序时恢复这些信息。
进程状态的变化：
- 模式切换可在不改变运行态进程的状态下发生
- 进程转换发生时，环境会发生实质性变化：
- 保存处理器上下文
- 更新当前处于运行态进程的PCB（包括状态转换、退出原因）
- 把该进程的PCB移到相应的队列
- 选择另一个进程执行
- 更新所选进程的PCB
- 更新内存管理数据结构
- 载入PC和其他寄存器先前的值