考研笔记-计算机之操作系统:处理器管理(进程基础)

表-程序的顺序执行与并发执行

程序顺序执行的特征

1）顺序性；2）封闭性；3）可再现性

程序并发执行的特征

1）间断性；2）失去封闭性；3）不可再现性

说明：

1) 在多道程序并发执行的情况下，处理机的利用率呈现如下规律：，其中，n为并发执行的进程数，U₁为1个进程顺序执行时CPU的利用率，U_n为n个进程并发执行时CPU的利用率。

表-程序与进程

程序与进程的关系

通过多次执行，一个程序对应多个进程

通过调用关系，一个进程包括多个程序

表-进程状态及转换

进程状态转换

进程状态说明

1) 活动态位于内存，静止态位于外存；

2) 就绪态指拥有除处理机外所需的所有资源，阻塞态指缺少除处理机外所需的某些资源；

3) 创建态为创建过程的中间状态（创建未完成），终止态为终止过程的中间状态（终止未完成）；

4) 活动态与静止态之间的转换条件是挂起和激活，为双向转换；

5) 就绪态与阻塞态之间的转换条件是唤醒，为单向转换，就绪态不会转为阻塞态（即一旦拥有了某类资源（处理机和内存除外），便不会释放该资源）；

6) 活动态和静止态与就绪态和阻塞态之间可以相互组合形成四种状态；

7) 进入执行态必先经过活动就绪态；

8) 执行态挂起后转入静止就绪态（因为不缺少资源，所以不转向静止阻塞态）。

表-进程控制块

PCB的作用

PCB是进程存在的唯一标识，与进程一一对应。进程实体由程序段、数据段和PCB三部分组成。

PCB的内容

1) 描述信息

进程标识符：

a) 内部标识符，为数字标识符，由OS提供，用于系统调用；

b) 外部标识符，为字符标识符，由创建者提供，用于用户进程访问该进程。

2) 控制信息

a) 程序和数据的地址，指程序和数据在内存或外存中的首地址；

b) 进程同步和通信机制，如消息队列指针、信号等；

c) 资源清单，除CPU外该进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源；

d) 链接指针，本进程的PCB所在队列中的下一进程的PCB的首地址。

3) 调度信息

a) 进程状态；

b) 进程优先级；

c) 进程调度算法所需的信息；

d) 事件，即进程由执行态转为阻塞态所等待发生的事件。

4) 处理机状态

处理机各种寄存器中的内容。

PCB的组织

1) 链接方式：根据不同的状态，链接成不同的队列，每个队列有一个指向该队列的指针，队列中的各个PCB通过指针域指向PCB表中属于同一队列的下一个PCB。

2) 索引方式：根据不同的状态，建立不同的索引表，每个索引表有一个指向该索引表的指针，索引表的表项为指向该索引表所包含的PCB在PCB表中位置的指针。

表-进程控制

进程控制

由OS内核中的原语来实现。

进程创建

引起进程创建的事件

1) 用户登录（分时系统），由系统内核创建新进程；

2) 作业调度（批处理系统），由系统内核创建新进程；

3) 提供服务，由系统内核创建新进程；

4) 应用请求，由应用进程创建新进程。

进程创建过程

1) 申请空白PCB；

2) 为新进程分配资源；

3) 初始化PCB；

4) 将新进程插入就绪队列。

进程终止

引起进程终止的事件

1) 正常结束；

2) 异常结束；

3) 外界干预

a) 操作员或操作系统干预；

b) 父进程请求；

c) 父进程终止。

进程终止过程

1) 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态；

2) 若被终止的进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度；

3) 若该进程还有子孙进程，应将其子孙进程予以终止；

4) 将被终止进程所拥有的全部资源，或归还给其父进程，或归还给系统；

5) 将被终止进程的PCB从所在队列或链表中移出，等待其他进程来搜集信息。

进程阻塞

引起进程阻塞的事件

1) 请求系统服务

OS不能立即满足该进程的请求时便阻塞；

2) 启动某种操作

在该操作完成之前便阻塞；

3) 新数据尚未到达；

4) 无新工作可做；

进程阻塞过程

（进程阻塞是主动行为）

当阻塞事件发生时，进程主动调用阻塞原语block把自己阻塞起来，进入block过程后：

1) 若进程正在执行，则立即停止执行；

2) 将PCB中的现行状态由执行改为阻塞；

3) 将PCB插入阻塞队列；

4) 保留被阻塞进程的处理机状态至该进程的PCB中；

5) 按新调度进程的PCB中的处理机状态设置CPU环境。

进程唤醒

引起进程唤醒的事件

1) 请求系统服务

OS可以满足该进程的请求时便可唤醒；

2) 启动某种操作

在该操作完成之后便可唤醒；

3) 新数据已经到达；

4) 有新工作可做；

进程唤醒过程

（进程唤醒是被动行为）

被阻塞进程所期待的事件发生时，由有关进程调用唤醒原语wakeup将等待该事件的进程唤醒：

1) 将被阻塞进程从等待该事件的阻塞队列中移出；

2) 将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪；

3) 将该进程的PCB插入就绪队列。

进程挂起

引起进程挂起的事件

1) 父进程请求将其某个子进程挂起；

2) 用户进程请求将自己挂起；

进程挂起过程

（进程挂起是被动行为）

系统利用挂起原语suspend将进程挂起：

1) 被挂起进程若处于活动就绪，则将其改为静止就绪，若处于活动阻塞，则将其改为静止阻塞；（对应事件1)）

2) 将挂起进程的PCB复制到指定的内存区域，将进程的程序和数据转入外存；

3) 若被挂起进程正在执行，则将其改为静止就绪状态，并转向调度程序重新调度。（对应事件2)）

进程激活

引起进程激活的事件

1) 父进程请求唤醒指定进程；

2) 用户进程请求唤醒指定进程；

进程激活过程

（进程激活是被动行为）

系统利用激活原语active将指定进程激活：

1) 将进程从外存调入内存；

2) 进程的现行状态若为静止就绪态，则将其改为活动就绪态，若为静止阻塞态，则将其改为活动阻塞态；

3) 若唤醒进程的新状态为活动就绪，则根据调度策略判断是否要重新调度。

说明：

1) 由于用户线程不依赖于操作系统内核，因此操作系统内核是不知道用户线程的存在的，用户线程是由用户来管理和调度的，用户利用线程库提供的API来创建、同步、调度和管理线程。所以，用户线程的调度是在用户程序内部进行，通常采用非抢占式和更简单的规则，也无需用户态和核心态的切换。