2.1 進程的基本概念

1.關(guān)于程序執(zhí)行順序

1）引入前趨圖

????????描述進程執(zhí)行前后關(guān)系的圖

????????有向無循環(huán)圖(DAG)

????????????????Pi結(jié)點：描述一個程序段、進程茧泪、或一條語句。

????????????????有向邊“->”：結(jié)點之間的偏序或前序關(guān)系

????????????????Pi->Pk檀夹，則Pi是Pk的直接前趨蛋逾，Pk是Pi的直接后繼。

2）程序順序執(zhí)行時的特征

(1) 順序性

? ????????????????? 處理機的操作嚴格按程序規(guī)定順序執(zhí)行

(2) 封閉性

????????????????? ? 程序一旦開始執(zhí)行懊悯，其計算結(jié)果不受外界因素影響蜓谋。

(3) 可再現(xiàn)性

????????????????? ? 程序執(zhí)行只要初始條件一樣，不論如何停頓炭分，重復執(zhí)行多少次結(jié)果都一樣桃焕。

3）程序的并發(fā)執(zhí)行分析

若有N個類似前頁的程序并發(fā)執(zhí)行：

要符合前趨關(guān)系：

????????????????Ii->Ci; Ci->Pi;

????????????????Ii->Ii+1;Ci->Ci+1;

????????????????Pi->Pi+1;

并發(fā)不是隨意的

????????????????如C1,C2無法交替執(zhí)行，只能順序執(zhí)行捧毛；但C2和P1則沒有嚴格時間關(guān)系

又如：四個程序段

????????????????S1：? a:=x+2?

????????????????S2：? b:=y+4?

????????????????S3：? c:=a+b

????????????????S4：? d:=c+b

S1观堂、S2間沒有嚴格的順序關(guān)系，CPU先調(diào)度哪個沒有影響岖妄。

但是型将，若對有嚴格順序關(guān)系的程序調(diào)度錯誤，如s1荐虐、s3七兜，執(zhí)行與結(jié)果必然會產(chǎn)生問題。

并發(fā)提高效率,但,并發(fā)也帶來問題

多個程序如果無序并發(fā)福扬，得到的只能是混亂的執(zhí)行結(jié)果腕铸，多道程序運行，走走停停的可能順序有很多種铛碑，符合前趨圖的關(guān)系才是合理并發(fā)狠裹。

4）并發(fā)程序執(zhí)行時的特征

間斷性(運行表現(xiàn))

? ? ???????????????? 多道 -> 程序并發(fā)執(zhí)行-> 要共享系統(tǒng)的資源 -> 形成相互制約的關(guān)系->? 相互制約導致并發(fā)程序具有“執(zhí)行——暫停——執(zhí)行”這種間斷性的活動規(guī)律汽烦。

失去封閉性

????????????????共享資源涛菠，資源狀態(tài)由多道程序改變，程序運行失去封閉性撇吞。即程序運行受其他程序的影響俗冻。

結(jié)果不可再現(xiàn)性

????????????????結(jié)果不確定，程序執(zhí)行將沒有任何意義牍颈。

2. 進程

OS利用“進程實體”控制程序執(zhí)行就產(chǎn)生了“進程”迄薄。

????????????????進程就是用于描述、控制程序在內(nèi)存中并發(fā)運行的一個東東煮岁。

1）進程的定義

進程是進程實體的運行過程讥蔽，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位涣易。

????????????????*可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的一次執(zhí)行過程。

????????????????*程序的一次執(zhí)行

????????????????*是一個程序與其數(shù)據(jù)一道通過處理機的執(zhí)行所發(fā)生的活動冶伞。

????????????????……

2）進程的特征

1.結(jié)構(gòu)性特征新症，進程的根本——PCB

2.動態(tài)性

????????????????進程實質(zhì)上是進程實體的一次有生命期的執(zhí)行過程。程序只是靜態(tài)的一組有序指令碰缔。

????????????????進程最基本特征

3.并發(fā)性

????????????????多個進程實體同存于內(nèi)存中账劲，在一段時間內(nèi)同時運行。

????????????????有PCB的程序才能并發(fā)金抡。

4.獨立性

5.異步性

區(qū)別進程與程序

動與靜：

????????????????進程是動態(tài)的瀑焦，程序是靜態(tài)的：程序是有序代碼的集合；進程是程序的執(zhí)行梗肝。

永久與暫時：

????????????????進程是暫時的榛瓮，程序是永久的：進程是一個狀態(tài)變化的過程，程序可長久保存巫击。

結(jié)構(gòu)：

????????????????進程的組成包括程序禀晓、數(shù)據(jù)和進程控制塊（進程各種控制信息）。

進程與程序的對應關(guān)系：

????????????????都可1對n坝锰。通過多次執(zhí)行粹懒，一個程序可對應多個進程；通過調(diào)用關(guān)系顷级，一個進程可包括多個程序凫乖。

3）進程的基本狀態(tài)

進程執(zhí)行時的間斷性，決定了其具有多種狀態(tài)弓颈。把握各進程所屬的狀態(tài)對進程控制至關(guān)重要帽芽。與進程執(zhí)行相關(guān)的各種共享資源有：

CPU、存儲器翔冀、I/O設備导街、時間片

注意體會這些資源在進程狀態(tài)變化中對進程運行的影響。

進程的三種基本狀態(tài)

(1)就緒狀態(tài)(Ready)

? ? ????????????? 進程獲得除CPU之外的所有必需資源纤子，一旦得到CPU控制權(quán)搬瑰，可立即運行。

(2)運行狀態(tài)(Running)

? ? ????????????? 進程已獲得所有運行必需的資源控硼，正在處理機上執(zhí)行跌捆。

(3)阻塞狀態(tài)(Blocked)

? ? ????????????? 正在執(zhí)行的進程由于發(fā)生某事件（請求I/O、申請緩沖象颖、時間片到）而暫時無法執(zhí)行時，便放棄CPU后暫停

各種狀態(tài)下的進程隊列

????????????????單處理機系統(tǒng)姆钉，執(zhí)行態(tài)的進程只有一個说订；

????????????????就緒態(tài)抄瓦、阻塞態(tài)的進程可有多個。一般講它們分別排稱一個隊列陶冷，稱就緒隊列钙姊、阻塞隊列。

????????????????阻塞隊列有的會根據(jù)不同原因再排成多個隊列埂伦。

不少系統(tǒng)除上述三種狀態(tài)煞额，還有其他一些細節(jié)狀態(tài)：掛起、新建沾谜、終止狀態(tài)等膊毁。

* 掛起狀態(tài) *

????????????????就緒的、但不會被調(diào)度執(zhí)行

產(chǎn)生原因

????????????????用戶自己請求暫停

????????????????父進程檢查基跑、協(xié)調(diào)子進程時掛起子進程

????????????????調(diào)節(jié)負荷的需要婚温，負載過重，為保證實時任務的控制媳否，掛起一些不重要的進程

????????????????操作系統(tǒng)的檢查和記錄需要掛起進程栅螟。

*Linux的進程狀態(tài)

創(chuàng)建狀態(tài)：

????????????????Pcb已建立，但資源分配還未完成

終止狀態(tài)：

????????????????不可再執(zhí)行篱竭，歸還資源力图，保留一份狀態(tài)碼好計時統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

????????????????增加了操作系統(tǒng)管理進程的靈活性掺逼。如os可根據(jù)性能和內(nèi)存容量限制吃媒，推遲創(chuàng)建態(tài)轉(zhuǎn)入就緒態(tài)

3. 進程控制塊PCB

進程實體：代碼段+數(shù)據(jù)段+PCB

????????????????進程控制塊定義Process Control Block

????????????????????????????????存放進程的管理和控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為進程控制塊。

OS對進程進行控制和管理圍繞PCB進行

分析OS調(diào)度某進程的過程

????????????????查該進程的PCB坪圾，獲取其狀態(tài)晓折、優(yōu)先級

????????????????根據(jù)PCB保存的處理機狀態(tài)信息，恢復現(xiàn)場

????????????????根據(jù)PCB中程序和數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址兽泄，找到其程序和數(shù)據(jù)

????????????????執(zhí)行中的同步信號等也要查閱PCB漓概，暫停時進程執(zhí)行的處理機環(huán)境保存回PCB。

* Pcb的重要性

進程控制塊是進程存在的唯一標志：

????????????????進程創(chuàng)建時病梢，PCB建立并伴隨進程運行的全過程胃珍，直到進程撤消而撤消。PCB就象我們的戶口蜓陌。

????????????????進程管理和控制的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1）進程控制塊中的信息（pcb內(nèi)）

（1）進程標識符信息

????????每個進程都必須有一個唯一的標識符

????????????????內(nèi)部標示符：唯一的數(shù)字序號觅彰，方便系統(tǒng)使用

????????????????外部標示符：方便用戶使用，用戶進程訪問某進程時使用

（2）處理機狀態(tài)信息

????????主要由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成钮热，被中斷時這些信息要存放到PCB填抬。

????????????????通用寄存器：用戶程序訪問的，暫存信息

????????????????指令計數(shù)器：下一條指令地址

????????????????程序狀態(tài)字PSW：一些狀態(tài)信息

????????????????用戶棧指針：每個用戶進程都有的存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址的一組系統(tǒng)棧隧期。

（3）進程調(diào)度信息

????????????????進程狀態(tài)

????????????????進程優(yōu)先級

????????????????進程調(diào)度所需的其他信息：調(diào)度算法相關(guān)信息

????????????????事件：狀態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)的事件

（4）進程控制信息

????????程序和數(shù)據(jù)的地址（單個進程）

????????????????數(shù)據(jù)所在的內(nèi)外存地址

????????進程同步和通信機制（多進程間）

????????????????同步和通信機制的信號量飒责、消息隊列指針等

????????資源清單

????????鏈接指針（PCB的組織）

????????????????本PCB所在隊列的下一個進程PCB首地址赘娄。

2）PCB信息的存放

????????系統(tǒng)運行中有若干個程序的PCB，它們常駐內(nèi)存的PCB區(qū)宏蛉。

????????采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：PCB結(jié)構(gòu)體遣臼，PCB鏈表或隊列

3）PCB的組織方式（重點）

系統(tǒng)中存在數(shù)十個PCB，如何有效的管理它們拾并。

鏈接方式

????????????????同一狀態(tài)的PCB揍堰，依靠鏈接指針鏈接成隊列。就緒隊列嗅义；若干個阻塞隊列屏歹；空白隊列（PCB區(qū)的空PCB塊）

索引方式

????????????????同狀態(tài)的PCB同樣集中記錄，但以索引表的方式記錄PCB的地址芥喇。用專門的單元記錄各索引表的首地址西采。