进程的描述和控制

前趋图和程序执行

前趋图

一个有向无环图（DAG），一个节点表示一段进程或者程序或一个语句。已知以下前趋关系：

可以得到以下的前趋图

注意：前趋图是无循环的！！

程序的顺序执行

1. 若干的程序段按顺序依次执行。
2. 特征：顺序性；封闭性：资源只可以被一个程序独占；可再现性：只要执行的环境相同就可以得到相同的执行结果。

程序的并发执行

不存在前趋关系的程序才可以并发执行

• 特征：间断性：并发的程序之间相互制约；失去封闭性：资源的状态可能被多个程序改变；不可再现性。

进程的描述与控制

进程的定义与特征

1. 定义：多道程序环境下，程序属于并发执行，因此他们会失去封闭性，同时具有间断性和不可再现性。通常，程序是不能并发执行的。为此，引入了进程。进程有单独的数据结构叫做进程控制块（PCB）。有三种定义：进程是程序的一次执行、是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动、时具有独立功能的程序在一个数据集上执行的过程，时系统进行资源分配和调度的一个独立的单位。
2. 特征：动态性：对应于生命周期、并发性、独立性、异步性。

进程的基本状态与转换

三种基本状态

1. 就绪：进程已经分配到除了CPU之外的所有必要资源
2. 执行：获得了CPU后程序正在执行的状态
3. 阻塞：被IO请求、申请缓冲区失败等事件导致暂时无法执行

相互转换

创建状态和终止状态

创建状态

进程创建过程：1、申请一个空白PCB并且写入信息；2、为该进程分配需要的资源；3、转换为就绪态并且放置在就绪队列中

终止状态

进程终止过程：1、等待OS进行善后；2、将PCB清零并且返还给OS。

挂起操作和进程状态的转换

挂起操作的引入

挂起是为了满足以下的需求：

1. 终端用户的需要：程序运行出现问题，用户把程序暂停以分析问题。
2. 父进程的需要：父进程需要考察和修改子进程。
3. 负荷调节的需要：避免在工作负荷重的时候影响实时任务。
4. OS的需要：检查在进程运行过程中资源的使用情况。

引入挂起后基本状态的转换

进程管理中的数据结构

PCB的作用

1. 作为独立运行的基本单位的标志
2. 实现间断运行方式
3. 提供进程管理所需要的信息
4. 提供进程调度所需要的信息
5. 实现与其他进程的同步和通信

PCB中的信息

1. 进程标识符（进程的名称）：外部标识符：方便用户对进程进行访问；内部标识符：方便系统对进程的使用。
2. 处理机状态：由处理机的各个寄存器的内容组成
3. 进程调度信息：进程状态、进程优先级、进程调度所需要的其他信息、事件
4. 进程控制信息：程序和数据的地址、进程同步和通信机制、资源清单、连接指针

组织方式

1. 线性方式
2. 链接方式
3. 索引方式

进程通信

进程通信的高级和低级

1. 低级：效率低、通信对用户不透明。
2. 高级：使用OS的高级通信工具，使用方便、高效地传输大量数据。

进程通信的类型

1. 共享存储器系统：互相通信的进程共享某些数据结构或存储区，进程之间能够通过这些空间进行通信。有两种类型：（1）基于共享数据结构的通信方式：属于低级通信，比如生产者消费者的缓冲区；（2）基于共享存储区的通信方式：内存的一块区域。
2. 管道通信系统：连接一个读进程和写进程的一个共享文件，成为pipe文件。其具有以下3方面的协调能力：（1）互斥；（2）同步；（3）确认对方是否存在。
3. 消息传递系统：以格式化消息的方式，通过操作系统的原语进行通信。（1）直接通信方式：利用OS提供的发送原语发送给对于的进程。（2）间接通信方式：发送进程和接收进程都通过共享中间实体的方式进行发送和接收。
4. 客户机-服务器系统：有三种实现方式（1）套接字：有基于文件型和基于网络型；（2）远程过程调用和远程方法调用

进程通信的实现方式

直接通信

1. 直接通信原语：利用OS发送命令实现，有两种：（1）对称寻址方式：指定了发送和接收者 send/receive(发送/接收者，消息)；（2）非对称寻址方式：send(P（接收的进程）, message), receive(id（可以是发送的进程id或者名称）, message)。
2. 消息的格式
3. 进程的同步方式：（1）发送进程阻塞、接收进程阻塞：两者间无缓冲的情况。（2）发送进程不阻塞、接收进程阻塞。（3）发送和接收进程都不阻塞：要一个事件让他们停下来。
4. 通信链路：单项和双向

间接通信

1. 信箱的结构：（1）信箱头：存放信箱的描述信息；（2）信箱体：存放消息或者消息头的小格子组成。
2. 信箱通信原语：（1）信箱的创建和撤销；（2）信箱的发送和接收。
3. 信箱的类型：（1）私用信箱：用户进程为自己创建的信箱，其他用户只能发送信息，不能接收信息。（2）公用信箱：有OS创建，可以给所有进程用。（3）共享信箱：由某个进程创建，要指明其他哪个进程可以访问。
4. 通信关系：（1）一对一；（2）一对多；（3）多对一：客户/服务器交互；（4）多对多。

线程的概念

线程是调度和分派的基本单位。是把进程的两个基本属性分开，由OS分开处理，不把调度和分派的基本单位作为资源的分配单位

线程和进程的比较

线程被成为轻型进程，传统的成为重型进程。

基本调度单位

进程作为独立调度和分派的基本单位，能够独立运行。线程作为调度和分派的基本单位，是能独立运行的基本单位。线程切换的时候只需要设置少量的寄存器的内容，代价远低于进程。同一进程的线程切换不会引起进程切换，但是不同进程的线程切换会引起进程切换。

并发性

进程可以并发执行，一个进程中的线程也可以并发执行。

拥有资源

线程几乎不拥有资源。

独立性

线程独立性比进程的独立性低得多。

系统开销

线程的系统开销小于进程。

支持多处理机系统

线程可以分配到多个处理机上。

线程状态和线程控制块

三种状态

执行、就绪、阻塞

线程控制块

名称为TCB，组成如下：

1. 线程标识符
2. 一组寄存器的内容
3. 线程执行状态
4. 优先级
5. 线程专有存储区
6. 信号屏蔽
7. 堆栈指针

多线程OS中的进程属性

1. 进程是一个可拥有资源的基本单位
2. 多个线程可以并发执行
3. 进程已不是可执行的实体：以线程作为基本单位