进程

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一、进程的概念

• 程序：是静态的，是存放在硬盘中的可执行文件，是一系列指令集合
• 进程：是动态的，是程序的一次执行过程
  • 同一个程序执行多次会产生多个不同的进程
• 进程 = 进程控制块PCB+程序段+数据段

二、进程的组成 --- PCB

为了区分同一程序多次执行产生的多个不同进程，提出了`PCB`这一概念

• 当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号” --- PID（ process ID，进程ID）

• 操作系统需要记录如下数据：

• 而这些操作系统所记录的数据都被保存在一个数据结构PCB（Process Control Block）中，即：进程控制块

• 🌟总而言之，操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理进程时所需要的信息，都会被放到PCB中^[1]

• PCB是进程存在的唯一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，操作系统会回收其PCB

• 进程控制块PCB存储如下信息：

三、进程的组织方式

1. 链接方式

• 按照进程的状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针
  • 队列分类：
    1. 就绪队列
    2. 运行队列
    3. 阻塞队列

2. 索引方式

• 根据进程的状态不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针
  • 同样也有就绪索引表、运行索引表和阻塞索引表，每个索引表中存有相应状态的各个进程的进程的索引指针

四、进程的特征

注意区分进程和程序

1. 动态性

• 进程最基本的特征，进程是程序的一次执行过程，是动态的产生、变化与消亡

2. 并发性

• 内存中存在多个进程实体，各个进程可以并发执行

3. 独立性

• 进程是能够独立运行、独立获取资源、独立接受调度的基本单位

4. 异步性

• 多个进程并发执行，各自按照独立的不可预知的速度进行

5. 结构性

• 每个进程都有一个对应的PCB，结构上来看，每个进程都含有PCB、程序段和数据段

五、进程的状态和转换

1. 进程的状态

定义

• 一个进程的生命周期可以划分为一组状态，这些状态刻画了整个进程，进程状态体现了一个进程的生命状态。一般来说，进程有五个状态：创建状态、就绪状态、运行状态、阻塞状态、终止状态。
  • 创建态：进程在创建时需要申请一个空白的PCB，用于记录控制和进程管理的信息，并完成资源分配。如果创建工作无法完成，例如：资源无法满足，就无法被调度运行，那么就说此时的进程处于创建态
  • ⭐运行态：进程占用CPU，并在CPU上运行
    • 注意：同一时刻，单核CPU上只能有1个进程在CPU上运行，而双核CPU上可以有2个进程在CPU上运行
  • ⭐就绪态：进程已经具备运行的条件，但CPU无法分配给它（无空闲资源）
    • 即：进程已经获取到了除CPU以外的所有资源
  • ⭐阻塞态/等待态：进程因等待某件事（如：I/O设备的输入输出操作等）发生而暂时无法运行
    • 运行态 $\to$ 阻塞态
    • 等待事件完成后，进程又由阻塞态 $\to$ 就绪态
  • 终止态/撤销态：进程结束或出现错误，或被系统终止，进入终止状态，无法执行。终止态过程中，系统将会收回分配的资源

2. 状态的转换

• 图例说明：

• 解释说明：

  • 如果进程得到系统许可后，完成PCB的创建，就从创建态转换为就绪态
  • 进程被调度/处于运行态的CPU的时间片用完了，就调用就绪队列的进程：就绪态 $\to$ 执行态/运行态
  • 时间片用完、更高级的进程抢占了CPU（抢占式CPU调度算法）：执行态/运行态 $\to$ 就绪态
  • 处于运行态的进程向系统请求资源调度：运行态/执行态 $\to$ 阻塞态
  • I/O请求、资源分配完成：阻塞态 $\to$ 就绪态
  • 程序运行完成、出现错误、被系统终止：运行态 $\to$ 终止态

六、进程通信

• 进程通信是指：进程之间的信息交换
  • PV操作是最低级的通信，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。
• 高级通信分类：
  1. 共享存储：在各自拥有独立的数据存储区后，建立一个存储共享信息的共享存储区，如果要访问其他进程的信息，就到共享存储区中去查看，值得注意的是：对共享存储区域的访问是互斥的，同一时刻不能有两个进程访问共享存储区
     1. 基于共享数据结构的通信方式 $\to$ 共享区中的数据结构格式是固定的，属于低级的通信共享方式
     2. 基于共享存储区的通信方式 $\to$ 不固定共享区数据的结构及存储位置
  2. 消息传递：以格式化的消息为单位，利用原语传递消息，分为直接通信和间接通信
     • 原语：发送原语、接收原语
     • 格式化消息：分为消息头（发送消息的ID等）和消息体（发送消息的内容和数据）
     • 直接通信：将消息放在消息发送缓冲队列的队尾，而进程通过接收发送原语来从头到尾发送队列中的消息
     • 间接通信：先将消息发送到一个中间实体（信箱）中，当进程需要消息传递时，只需要从信箱中取即可，为防止消息传递出错，在消息头中存储该信息的来源进程ID、目的进程ID等信息
  3. 管道通信：是一种特殊的消息传递方式
     • 用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间的一个共享文件，称为Pipe文件
     • 一个管道只能实现半双工通信 ---- 同一时间段内只能允许单方向的通信
     • 管道通信中，各进程对于共享文件的访问也是互斥的，如：A进程在共享文件中进行读操作时，B进程不能进行写操作

七、线程

• 线程是进程中执行运算的最小单位，是进程的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，以小的开销来提高进程内的并发程度。
• 线程不拥有系统资源，但它可以与同属一个进程的其他线程共享进程拥有的所有资源
• 一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的不同线程是可以并发执行的

线程与进程的区别

• 基本单位：在引入线程后，线程就成为调度和分派的基本单位，进程是拥有资源（资源分配）的基本单位
• 并发性：不仅进程之间可以并发执行，同一进程的不同线程也可以并发执行
• 资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以调用其隶属的进程的所有系统资源
• 系统开销：在创建或撤销进程时，系统都需要分配或收回资源，系统开销明显大于创建或撤销线程的开销

线程与进程的联系

• 一个线程只能属于一个进程，但一个进程可以拥有多个线程
• 系统资源分配给进程，同一进程上的所有线程共享该进程的所有资源
• 处理机分配给线程，即：真正在处理机上运行的是线程
• 线程同样具有异步性，为了执行的准确性，也需要协作同步，不同进程之间的线程需要利用消息通信实现同步
• 线程是进程的可调度实体，也是进程内的一个执行单元

贡献者

freeway348

文件历史

最后编辑于 大约 1 个月前查看完整历史

01996-OS

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1. 重点记忆，PCB的存储地位 ↩︎