操作系统-进程管理

操作系统----进程管理

引言：

处理机管理是操作系统的基本管理功能之一，它所关心的是处理机的分配问题。也就是说把CPU （中央处理机）的使用权分给某个程序，通常把这个正准备进入内存的程序称为作业，当这个作业进入内存后我们把它称为进程。处理机管理分为作业管理和进程管理两个阶段去实现处理机的分配，常常又把直接实行处理机时间分配的进程调度工作作为处理机管理的主要内容。

进程通常具有三种状态：运行状态（正在使用CPU）、阻塞状态（等待输入/输出）和就绪状态（等待分配CPU）。

进程的引入：

1，程序的顺序执行

（1）顺序性

（2）封闭性

程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定，不受外界因素影响；

（3）可再现性

2，资源共享

3，程序的并发执行及其特性

（1）什么是并发执行

尽管多道程序的并发执行在宏观上是同时进行的，但在微观上仍是顺序执行的。第二种并发执行是在某到程序的几个程序段中，包含着一部分可以同时执行或顺序颠倒执行的代码。

所谓并发执行，是为了增强计算机系统的处理能力和提高资源利用率所采取的一种同时操作技术。

程序的并发执行总结为：一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程中，其执行时间在客观上互相重叠，即是一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的这种执行方式。

3.1.2进程的定义

需要一个能描述程序的执行过程且能用来共享资源的基本单位，这个基本单位被称为进程。

可以这样定义进程：并发执行的程序在执行过程中分配和管理资源的基本单位。

进程和程序是两个既有联系又有区别的概念，它们的区别和联系可简述如下：

（1）进程是一个动态的概念，而程序是一个静态概念。程序时指令的有序集合，没有任何执行的含义。而进程则强调执行过程，它动态地被创建，并被调度执行后消亡；

（2）进程具有并发特征，而程序没有。

（3）进程是竞争计算机系统资源的基本单位，从而其并发性受到系统自己的制约。

（4）不同的进程可以包含同一程序，只要该程序所对应的数据集不同。

进程与程序的区别和相互关系：

（1）动态性和静态性。

（2）从结构上看每个进程的实体都是由程序段和相应的数据段两部分构成的，这一特征与程序的含义相近。

（3）一个进程可以涉及到一个或几个程序的执行；反之一程序可以对应多个进程，即同一程序段可在不同数据集合上运行，可构成不同的进程。

（4）并发性。

（5）进程具有创建其他进程的功能。

（6）操作系统中的每一个程序都是在一个进程现场中运行的。

3.2进程的描述

一个进程是一个程序对某个数据集描述，是分配资源的基本单位。

进程的静态描述由三个部分组成：

进程控制块PCB、有关程序段、该程序段对其进行操作的数据结构集；

PCB包含一个进程的描述信息、控制信息及资源信息；

进程的程序部分描述进程所要完成的功能；

数据结构集是程序在执行时必不可少的工作区和操作对象；

进程控制块的作用：

进程控制块是进程存在的标志，当系统或父进程创建一个进程时，实际上就是为其建立一个进程控制块。

进程控制块既能标识进程的存在，又能刻画出进程的动态特征，它是一个进程仅有的被系统真正感知的部分。对操作系统而言，所有进程控制块将构成并发执行控制和维护系统工作的依据。

3.3进程状态及其转换

3.3.1进程状态

在进程的生命周期内，一个进程至少具有5中基本状态，它们是：

初始态、执行状态、等待状态、就绪状态、终止状态；

（1）运行状态：进程正在处理机上运行的状态，该进程已获得必要的资源，也获得了处理机，用户程序正在处理机上运行。

（2）阻塞状态：进程等待某种事件完成（例如，等待输入/输出操作的完成）而暂时不能运行的状态，处于该状态的进程不能参加竞争处理机，此时，即使分配给它处理机，它也不能运行。（3）就绪状态：该进程运行所需的一切条件都得到满足，但因处理机资源个数少于进程个数，所以该进程不能运行，而必须等待分配处理机资源，一旦获得处理机就立即投入运行。

在单CPU系统中，任一时刻处于执行状态的进程只能有一个。只有处于就绪状态的进程经调度选中之后才可以进入执行状态；

状态变化：

（1）就绪状态变化到运行状态。

（2）运行状态变化到就绪状态。

（3）运行状态变化到阻塞状态。

（4）阻塞状态变化到就绪状态。

3.4进程控制

进程控制：就是系统使用一些具有特定功能的程序段来创建、撤销进程以及完成进程各个状态的转换，从而达到多进程高效率并发执行和协调、实现资源共享的目的；

原语：把系统状态下执行的某些具有特定功能的程序段称为原语；

原语分为两类：

一类是机器指令级的，其特点是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的单位；

另一类是功能级的，其特点是作为原语的程序段不允许并发执行；

通常把进程控制用程序做成原语：

用于进程控制的原语有：创建原语、撤销原语、阻塞原语、唤醒原语；

3.7进程通信

3.7.1 临界资源和临界区

把不允许多个并发进程交叉执行的一段程序称为临界部分或临界区

临界区是由属于不同并发进程的程序段共享公用数据或共用变量而引起的。

因此，临界区也可以被称为访问公用数据（临界资源）的那段程序。

3.7.2 进程的通信方式之一——同步与互斥

互斥：一组并发进程中的一个或多个程序段，因共享某一公有资源而导致他们必须以一个不允许交叉的单位执行，也就是说，不允许两个以上的共享资源的并发进程同时进入临界区称为互斥；

一组并发进程互斥执行时必须满足如下四条准则：

（1）不能假设各并发进程的相对执行速度；

（2）并发进程中的某个进程不在临界区是，它不阻止其他进程进入临界区；

（3）并发进程中的若干个进程申请进入临界区时，只能允许一个进程进入；

（4）并发进程中的某个进程申请进入临界区时开始，应在有限时间内得以进入临界区；

一、互斥的加锁实现

对临界区加锁以实现互斥，当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它退出临界区为止；

二、信号量和P、V原语

1,信号量管理相应临界区的公有资源，它代表可用资源实体；

在操作系统中，信号量sem是一整数，在sem大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem小于零时表示正在等待使用临界区的进程数；

2,P、V原语

p原语的主要动作：

（1）sem减1；

（2）若sem减1后仍大于或等于零，则P原语返回，该进程继续执行；

（3）若sem减1后小于零，则该进程被阻塞后加入到与该信号相应的队列中，然后转进程调度；v原语的主要动作：

（1）sem加1；

（2）若相加结果大于零（表示没有等待调用的进程），v原语停止执行，该进程返回调用处，继续执行；

（3）若相加结果小于或等于零，则从信号的等待队列中唤醒一等待进程，然后再返回原进程继续执行或转进程调度；

注意：P,V操作都必须以原语实现，且在P，V原语执行期间不允许中断发生；

例题解析：

问：使用p，v原语和加锁法都可以实现并发进程的互斥

（1）p，v原语和加锁法实现互斥有何异同？

加锁法实现互斥是这样的：当某个进程进入临界区之后，它将锁上临界区，直到它退出临界区为止。并发进程在申请进入临界区时，首先测试该临界区是否是上锁的，如果该临界区已经被锁住，则该进程要等待该临界区开锁之后才有可能获得临界区。

而p，v原语实现互斥是这样的：为临界资源设置一初值为1的信号量，该信号量只能由p，v 原语操作改变。并发进程在申请进入临界区时，首先执行p操作，如果临界区已经被占用，则进程阻塞等待被一个v操作唤醒；否则允许进入进入临界区。在退出临界区时，则执行v操作，若有其他进程等待使用该临界资源，则唤醒队首的进程；

加锁操作与p，v原语实现互斥的不同主要有：

1）加锁操作咋临界资源已经被占用的情况下，仍要循环测试锁的状态，这将耗费大量的CPU时间

2）加锁操作部将等待临界资源的进程按申请次序排队，故有可能造成不公平的现象；

（2）使用加锁法实现互斥时，有可能在进程使用临界区时造成不公平现象（即是某个进程一直占有临界区，其他进程永远无法使用）是找出一个不公平现象的例子，并分析产生不公平现象的原语；

例子如下：如果有P1进程已通过加锁操作进入临界区内执行，则当p2进程申请进入对应的临界区时，将因临界区已上锁而处于忙等状态，即p2并不会阻塞排队。当p1退出临界区时，它只需将临界区解锁，并不像v操作那样按次序唤醒等待进程；而且系统也不一定要立即进程调度；如果p1进程继续运行并再次申请进入临界区，则因临界区已解锁，它又可顺利进入临界区。这将是p1进程一直占用临界区，而p2进程则长期等待，从而造成不公平的现象；

习题：

设有n个进程共享一个资源，对于如下两种：

（1）如果每次只允许一个进程使用该资源；

（2）如果每次允许m个进程（m

解析：两种情况下所采用的互斥信号量的初值不同，在前一种情况下，信号量的初值应设置为1，

互斥信号量的实现与资源的使用有关，这种情况是一次只能一个进程使用该临界资源；

此时信号量的变化范围是：[1-n,1];

后一种情况是，信号量的初值应设置为m，而信号量的变化范围为【m—n，m】

感悟：因此进程间的互斥关键在于公有信号量的设计上，这与进程同步不一样，在进程同步中是进程间的协作关系，这时我们考虑的是各个私有进程间的通信问题，此时设置的信号量是私有的；

因此在对并发程序的设计时，对于公有变量（即是公有数据）一定要加锁实现，以期实现进程的互斥操作

进程同步：

异步环境下的一组并发进程，因直接制约而相互发送消息而进行互相合作，互相等待，使得各进程按一定的速度执行的过程称为进程间的同步；

具有同步关系的一组并发进程称为合作进程，合作进程间互相发送的信号称为消息或事件；

描述进程同步的实现方法：

wait（消息名）表示进程等待合作进程发来的消息

signal（消息名）表示向合作进程发送消息；

例题：试从物理观念上来说明记录性信号量wait与signal操作？

从物理观念上来看，一个记录型信号量S可以用来表示一类临界资源的使用情况，S.value的初值表示系统中该类资源的总数；在使用过程中，若S.value>0,则表示系统中还有S.value个该类资源处于空闲状态。对它每次wait操作，意味着进程请求一个单位的该类资源，因此描述为S.value--；当S.value<0表示资源已经分配完毕，因此进程应将自己插入S.L队列中，并调用block 原语将自己阻塞，此时S.value的绝对值表示因申请该种资源而被阻塞的进程的个数。对信号量的每次signal操作，表示执行进程释放一个单位的资源，因此要执行S.value++操作将资源数目加一；若果加1后仍是S.value<=0,则表示仍有等待资源的进程处于阻塞状态，故应调用wakeup 原语唤醒S.L队列中的一个进程；

私用信号量

一般来说，也可以把各进程之间发送的消息作为信号量看待。

这里的信号量只与制约进程及被制约进程有关而不是与整组并发进程有关；因此，称该信号量为私有信号量。

一个进程Pi的私用信号量semi是从制约进程发送来的进程pi的执行条件所需要的消息；

分析问题的步骤：

1、分析问题：取数进程在缓冲区队列全部为空时不能开始运行；而送数进程在缓冲区全部满时也不能运行。因此这是一个典型的同步问题。

2、信号量设计：同步问题的信号量个数与进程个数相关，由于有两类进程互相合作，故设计S1表示空缓冲区给P1使用，初值为n，设计S2表示满缓冲区给P2使用，初值为0。

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技术解析：

对于并发进程要考虑进程间的互斥问题，其一般使用公有信号量；

对异步的并发进程要考虑进程间的同步问题；其一般使用私有信号量；

进程间的同步和互斥最重要的是进程间是如何进行通信的，这也是设计并发进程同步和互斥的关键问题所在，进程执行前首先要申请临界区资源，之后再做必要地操作，这些都考虑到了并发程序的互斥问题，再者：程序执行完毕后，要通知其最近的合作进程，任务已经完成，合作进程可以执行；

因此在设计程序时，只要考虑上面两个问题之后，只要能分析清楚，各个进程间的协作关系，问题便可迎刃而解了；

必须充分认识到进程并发的关键性；

问题的总结：在考虑这类问题时，综合考虑进程互斥，进程同步，进程间的死锁问题，而进程的死锁问题是最值得深入考虑的，在哲学家的问题中，对进程的死锁提出几种解决方法，有值得研究的价值；

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3.7.3 两个经典的同步/互斥问题

生产者与消费者问题：

把并发进程的同步和互斥问题一般化，可以得到哦一个抽象的一般模型，即是生产者-消费者问题。

由于有界缓冲区是临界资源，因此，各生产者进程和各消费者进程必须是互斥执行；

信号量的设置：

（1）公用信号量mutex：初值为1，表示有界缓冲区的个数，用于实现临界区互斥（保证生产者进程和消费者进程之间的互斥）。

（2）生产者私用信号量empty：初值为n，指示空缓冲块数目。

（3）消费者私用信号量full：初值为0，指示满缓冲块数目；

deposit（data）：生产者模块

b egin

p（empty）

p（mutex）获取临界资源，这里是先申请有界缓冲区，在申请临界资源，两者的顺序不能颠倒；一般说来对公用信号原语必须紧临临界区；对于临界资源要设置公有信号量；

送数据到缓冲区某单元

v（full）

v（mutex）释放临界资源

end

remove（data）

begin

p（full）

p（mutex）

取缓冲区中某数据单元

v（empty）

v（mutex）

End

注意：p，v原语的操作此需要非常小心，一般说来，由于v原语是释放资源的，所以可以一任意次序出现，但P原语则不然，如果次序混乱，将会造成进程之间的死锁。

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习题解答：

在测量系统中，数据采集任务把所要采集的数据送入一单缓冲区；计算任务从该缓冲区中取出数据进行计算，试写出利用信号量实现两者共享单缓冲驱动的同步算法；

解析：要用p，v操作实现上述进程的同步，可设置两个信号量；

Empt 对应空闲的缓冲区，初值为1；

Full 对应满缓冲区，初值为0；

在进程同步中，一定要先找到同步的进程，根据缓冲区的个数设置相应的私有信号量；

collect (){

while(1){

collect data;

P(empty); //申请资源，此是缓冲区只能做输入数据操作；

add data to buffer;

V(full); //此是为了实现进程间的通信，full增加表示有新的数据进入}

}

computer（）{

while（1）{

P(full); //从数据数据缓冲区中去走数据

remove data from buffer；

V（empty）

compute；

}

}

感悟：进程的同步其实是两个进程间的相互通信过程，这个通信的依托就是各自的私有信号量，在上面的例子中，前一个进程先要申请缓冲区，再进行相应的操作，最后释放缓冲区时，告知合作进程数据进入缓冲区v(full)

相应的另一个进程也是以这种方式来占据缓冲区，并告知其合作进程的；

例题：有3个并发进程R、M、P，他们共享同一缓冲区。进程R负责从输入设备读信息，每读入一个记录后，就把它放进缓冲区中；进程M在缓冲区中加工读入的数据；进程p把加工后的技术打印输出。读入的记录进过加工输出后，缓冲区又可以存放下一个记录；

解析：此题实际上是生产者和消费者的变形问题。这实际上是三个合作进程间的通信问题；

根据以上的结论，对于进程同步的问题，找出合作进程的个数，并分别设置相应的私有信号量；Empty 对应进程R，其开始要检测空闲缓冲区，初值为1；

Full 对应进程M ，代表待加工的数据记录个数，初值为0；

Full2 对应进程P，对应缓冲区已经加工的数据，（即是待打印的数据记录个数），初值为0；

R：

while（1）{

P（empty）

从输入设备读记录到缓冲区中；

v（full）；通知M进程已有记录进入到缓冲区中；

}

M：

while（2）{

P（full）；

在缓冲区中加工记录；

V（full2）；通知P进程，数据已经加工完毕；

}

P:

while（1）{

P（full2）

加工后的数据记录打印输出；

V（empty）；通知R进程数据已经取出并打印

}

感悟：进程同步的操作，在操作前先要申请资源，即是利用P操作实现；在进行必要地操作后，要通知合作进程任务已完成，这是就执行v操作，以实现进程间的通信；

例题：哲学家就餐变型问题（主要解决的问题是如何解决进程间的死锁问题）

哲学家甲请哲学家乙、丙、丁到某处讨论问题，约定全体到齐后开始讨论；在讨论的间隙四位哲学家进餐，没人进餐时都必须使用刀、叉各一把，餐桌上的布置如果所示，请用信号量及P，v操作说明这四位哲学家的同步、互斥过程；

解析：进程互斥：刀和叉都是临界资源，需要为他们设置对应的公有信号量knife1，knife2、fork1.，fork2；初值都为1；

只有当哲学家到齐后，才可以开始讨论问题，故需设置另外4个初值为0的信号量a，b，c，d；这个题目的关键是公用资源的抢夺问题：四个进程都涉及到对临界资源的抢夺问题，显而易见，两符刀、叉只能同时供两个哲学家就餐，为了不发生进程间的死锁，必须做好适当的互斥操作。因此我们可以先设计：

（1）哲学家就餐必须先取得刀，才能再去争夺叉；

（2）就餐完毕先释放刀，在释放叉；

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3.7.4 结构化的同步/互斥机制——管程

3.7.5 进程的通信方式之二——消息缓冲

死锁问题：

3.8.1 死锁产生的原因和必要条件

所谓死锁，是指各并发进程彼此互相等待对方所拥有的资源，且这些并发进程在得到对方资源之前不会释放自己所拥有的资源；

死锁的起因是并发进程的资源竞争。产生死锁的根本原因在于系统提供的资源个数少于并发进程所要求的该类资源数；

产生死锁有四个必要条件：

（1）互斥条件。

（2）不剥夺条件。

（3）请求和保持条件。

（4）环路等待条件。

3.8.2 预防死锁

1．破坏“请求与保持条件”

2．破坏环路条件

3．资源受控动态分配

3.8.3 发现死锁

3.8.4 解除死锁

1．资源剥夺法

（1）还原算法。即恢复计算结果和状态。

（2）建立检查点主要是用来恢复分配前的状态。2．撤消进程法

（1）程序的优先数，即被撤消进程的优先数。（2）作业类的外部代价

（3）运行代价