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程序开发进程总结
2016-08-22 09:38:47           
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在多道程序环境下,允许多个程序并发执行。为此引入了进程(Process)的概念,以便更好地描述和控制程序的并发执行,实现操作系统的并发性和共享性。简单来说,进程是对正在运行的程序的一个抽象。一个进程就是一个正在执行程序的实例,包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。

一个正在执行中的程序 一个正在计算机上执行的程序实例 能分配给处理器并由处理器执行的实体 一组指令序列的执行,一个当前状态和相关的系统资源集

两个基本要素:程序代码和数据集

进程由三部分组成:PCB, 程序段,数据段

进程的特征

进程是由多程序的并发执行而引出的,它和程序是两个截然不同的概念。进程的基本特征是对比单个程序的顺序执行提出的,也是对进程管理提出的基本要求。

动态性:进程是程序的一次执行,它有着创建、活动、暂停、终止等过程,具有一定的生命周期,是动态地产生、变化和消亡的。动态性是进程最基本的特征。 并发性:指多个进程实体,同存于内存中,能在一段时间内同时运行,并发性是进程的重要特征,同时也是操作系统的重要特征。引入进程的目的就是为了使程序能与其他进程的程序并发执行,以提高资源利用率。 独立性:指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。 异步性:由于进程的相互制约,使进程具有执行的间断性,即进程按各自独立的、 不可预知的速度向前推进。异步性会导致执行结果的不可再现性,为此,在操作系统中必须配置相应的进程同步机制。 结构性:每个进程都配置一个PCB对其进行描述。从结构上看,进程实体是由程序段、数据段和进程控制段三部分组成的。

进程控制块PCB:

由操作系统创建和管理。常驻内存,进程结束后删除

PCB是进程存在的唯一标志!

包括了:

标识符 状态 优先级 程序计数器 内存指针 上下文数据 I/O状态信息 记账信息

PCB主要包括进程描述信息、进程控制和管理信息、资源 分配清单和处理机相关信息等。各部分的主要说明如下:

1. 进程描述信息

进程标识符:标志各个进程,每个进程都有一个并且是唯一的标识号。

用户标识符:进程归属的用户,用户标识符主要为共享和保护服务。

2. 进程控制和管理信息

进程当前状态:描述进程的状态信息,作为处理机分配调度的依据。

进程优先级:描述进程抢占处理机的优先级,优先级高的进程可以优先获得处理机。

3. 资源分配清单:

用于说明有关内存地址空间或虚拟地址空间的状况;所打开文件的 列表和所使用的输入/输出设备信息。

4. 处理机相关信息

主要指处理机中各寄存器值,当进程被切换时,处理机状态信息 都必须保存在相应的PCB中,以便在该进程重新执行时,能再从断点继续执行。

在一个系统中,通常存在着许多进程,有的处于就绪状态,有的处于阻塞状态,而且阻塞的原因各不相同。为了方便进程的调度和管理,需要将各进程的PCB用适当的方法组织起来。目前,常用的组织方式有链接方式和索引方式两种。链接方式将同一状态的PCB链接成一个队列,不同状态对应不同的队列,也可以把处于阻塞状态的进程的PCB,根据其阻塞原因的不同,排成多个阻塞队列。索引方式是将同一状态的进程组织在一个索引表中,索引表的表项指向相应的PCB,不同状态对应不同的索引表,如就绪索引表和阻塞索引表等。

程序段

程序段就是能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段。注意,程序可以被多个进程共享,就是说多个进程可以运行同一个程序。

数据段

一个进程的数据段,可以是进程对应的程序加工处理的原始数据,也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。

进程控制:

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理,它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。在操作系统中,一般把进程控制用的程序段称为原语,原语的特点是执行期间不允许中断,它是一个不可分割的基本单位。

CPU由指派器(dispatcher)控制去执行哪个进程;指派器通过指令序列安排进程的执行和切换。

进程的创建和终止:

创建:

进程创建的原因:

新的批处理作业 交互登录 操作系统为了提供一项服务而创建 由现有的进程派生

技术上来看,所有这些情形中,新进程都是由于一个已经存在的进程执行了一个用于创建进程的系统调用而创建的。UNIX系统中,只有一个系统调用可以用来创建新进程:fork。这个系统调用会创建一个与调用进程相同的副本。调用了 fork 之后,这两个进程拥有相同的存储映像、同样的环境字符串和同样的打开文件。

进程创建之后,子进程和父进程拥有不同的地址空间,如果其中某个进程在其地址空间修改了一个字,这个修改对其他进程是不可见的。

允许一个进程创建另一个进程。此时创建者称为父进程,被创建的进程称为子进程。子进程可以继承父进程所拥有的资源。当子进程被撤销时,应将其从父进程那里获得的资源归还给父进程。此外,在撤销父进程时,也必须同时撤销其所有的子进程

操作系统创建一个新进程的过程如下(创建原语):

1. 为新进程分配一个唯一的进程标识号,并申请一个空白的PCB(PCB是有限的)。若PCB申请失败则创建失败。

2. 为进程分配资源,为新进程的程序和数据、以及用户栈分配必要的内存空间(在PCB 中体现)。注意:这里如果资源不足(比如内存空间),并不是创建失败,而是处于”等待状态“,或称为“阻塞状态”,等待的是内存这个资源。

3. 初始化PCB,主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息和初始化处理机控制信息,以及设置进程的优先级等。

4. 如果进程就绪队列能够接纳新进程,就将新进程插入到就绪队列,等待被调度运行。

终止:

引起进程终止的事件主要有:

正常结束,表示进程的任务已经完成和准备退出运行。 异常结束是指进程在运行时,发生了某种异常事件,使程序无法继续运行,如存储区越界、保护错、非法指令、特权指令错、I/O故障等。 外界干预是指进程应外界的请求而终止运行,如操作员或操作系统干预、父进程请求和父进程终止。

操作系统终止进程的过程如下(撤销原语):

1. 根据被终止进程的标识符,检索PCB,从中读出该进程的状态。

2. 若被终止进程处于执行状态,立即终止该进程的执行,将处理机资源分配给其他进程。

3. 若该进程还有子进程,则应将其所有子进程终止。

4. 将该进程所拥有的全部资源,或归还给其父进程或归还给操作系统。

5. 将该PCB从所在队列(链表)中删除。

进程的状态转换:

进程在其生命周期内,由于系统中各进程之间的相互制约关系及系统的运行环境的变化,使得进程的状态也在不断地发生变化(一个进程会经历若干种不同状态)。通常进程有以下五种状态,前三种是进程的基本状态。

运行状态:进程正在处理机上运行。在单处理机环境下,每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。就绪状态:进程已处于准备运行的状态,即进程获得了除处理机之外的一切所需资源,一旦得到处理机即可运行。阻塞状态,又称等待状态:进程正在等待某一事件而暂停运行,如等待某资源为可用(不包括处理机)或等待输入/输出完成。即使处理机空闲,该进程也不能运行。创建状态:进程正在被创建,尚未转到就绪状态。创建进程通常需要多个步骤:首先申请一个空白的PCB,并向PCB中填写一些控制和管理进程的信息;然后由系统为该进程分配运行时所必需的资源;最后把该进程转入到就绪状态。结束状态:进程正从系统中消失,这可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。当进程需要结束运行时,系统首先必须置该进程为结束状态,然后再进一步处理资源释放和回收等工作。

注意区别就绪状态和等待状态:就绪状态是指进程仅缺少处理机,只要获得处理机资源就立即执行;而等待状态是指进程需要其他资源(除了处理机)或等待某一事件。之所以把处理机和其他资源划分开,是因为在分时系统的时间片轮转机制中,每个进程分到的时间片是若干毫秒。也就是说,进程得到处理机的时间很短且非常频繁,进程在运行过程中实际上是频繁地转换到就绪状态的;而其他资源(如外设)的使用和分配或者某一事件的发生(如I/O操作的完成)对应的时间相对来说很长,进程转换到等待状态的次数也相对较少。这样来看,就绪状态和等待状态是进程生命周期中两个完全不同的状态,很显然需要加以区分。

 

此处输入图片的描述

 

就绪状态 -> 运行状态:处于就绪状态的进程被调度后,获得处理机资源(分派处理机时间片),于是进程由就绪状态转换为运行状态。 运行状态 -> 就绪状态:处于运行状态的进程在时间片用完后,不得不让出处理机,从而进程由运行状态转换为就绪状态。此外,在可剥夺的操作系统中,当有更高优先级的进程就 、 绪时,调度程度将正执行的进程转换为就绪状态,让更高优先级的进程执行。 运行状态 -> 阻塞状态:当进程请求某一资源(如外设)的使用和分配或等待某一事件的发生(如I/O操作的完成)时,它就从运行状态转换为阻塞状态。进程以系统调用的形式请求操作系统提供服务,这是一种特殊的、由运行用户态程序调用操作系统内核过程的形式。 阻塞状态 -> 就绪状态:当进程等待的事件到来时,如I/O操作结束或中断结束时,中断处理程序必须把相应进程的状态由阻塞状态转换为就绪状态

挂起态

处于阻塞态的进程,被换出内存,在linux中放入交换(swap)区,即虚存;当条件允许的时候,会被操作系统再次调回内存,重新进入等待被执行的状态即就绪态。

挂起的原因:

终端用户的请求。当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题时,希望暂停使自己的程序静止下来。亦即,使正在执行的进程暂停执行;若此时用户进程正处于就绪状态而未执行,则该进程暂不接受调度,以便用户研究其执行情况或对程序进行修改。我们把这种静止状态成为“挂起状态”。 父进程的请求。有时父进程希望挂起自己的某个子进程,以便考察和修改子进程,或者协调各子进程间的活动。 负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重,已可能影响到对实时任务的控制时,可由系统把一些不重要的进程挂起,以保证系统能正常运行。 操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程,以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。 对换的需要。为了缓和内存紧张的情况,将内存中处于阻塞状态的进程换至外存上。

进程的阻塞和唤醒:

正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。

阻塞原语的执行过程是:

找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB。 若该进程为运行状态,则保护其现场,将其状态转为阻塞状态,停止运行。 把该PCB插入到相应事件的等待队列中去。

当被阻塞进程所期待的事件出现时,如它所启动的I/O操作已完成或其所期待的数据已到达,则由有关进程(比如,提供数据的进程)调用唤醒原语(Wakeup),将等待该事件的进程唤醒。

唤醒原语的执行过程是:

在该事件的等待队列中找到相应进程的PCB。 将其从等待队列中移出,并置其状态为就绪状态。 把该PCB插入就绪队列中,等待调度程序调度。

需要注意的是,Block原语和Wakeup原语是一对作用刚好相反的原语,必须成对使用。 Block原语是由被阻塞进程自我调用实现的,而Wakeup原语则是由一个与被唤醒进程相合作或被其他相关的进程调用实现的。

进程切换

对于通常的进程,其创建、撤销以及要求由系统设备完成的I/O操作都是利用系统调用而进入内核,再由内核中相应处理程序予以完成的。进程切换同样是在内核的支持下实现的,因此可以说,任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。

进程切换是指处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行,这个过程中,进程的运行环境产生了实质性的变化。

进程切换的过程如下:

保存处理机上下文,包括程序计数器和其他寄存器。

更新PCB信息。

把进程的PCB移入相应的队列,如就绪、在某事件阻塞等队列。

选择另一个进程执行,并更新其PCB。

更新内存管理的数据结构。

恢复处理机上下文。

注意,进程切换与处理机模式切换是不同的,模式切换时,处理机逻辑上可能还在同一进程中运行。如果进程因中断或异常进入到内核态运行,执行完后又回到用户态刚被中断的程序运行,则操作系统只需恢复进程进入内核时所保存的CPU现场,无需改变当前进程的环境信息。但若要切换进程,当前运行进程改变了,则当前进程的环境信息也需要改变。

用户态和内核态:

内核态:

CPU可以访问内存所有数据, 包括外围设备, 例如硬盘, 网卡. CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序

用户态:

只能受限的访问内存, 且不允许访问外围设备. 占用CPU的能力被剥夺, CPU资源可以被其他程序获取

为什么要有用户态和内核态

由于需要限制不同的程序之间的访问能力, 防止他们获取别的程序的内存数据, 或者获取外围设备的数据, 并发送到网络, CPU划分出两个权限等级 – 用户态 和 内核态

用户态与内核态的切换

所有用户程序都是运行在用户态的, 但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情, 例如从硬盘读取数据, 或者从键盘获取输入等. 而唯一可以做这些事情的就是操作系统, 所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作.

这时需要一个这样的机制: 用户态程序切换到内核态, 但是不能控制在内核态中执行的指令

这种机制叫系统调用, 在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)

他们的工作流程如下:

用户态程序将一些数据值放在寄存器中, 或者使用参数创建一个堆栈(stack frame), 以此表明需要操作系统提供的服务. 用户态程序执行陷阱指令 CPU切换到内核态, 并跳到位于内存指定位置的指令, 这些指令是操作系统的一部分, 他们具有内存保护, 不可被用户态程序访问

这些指令称之为陷阱(trap)或者系统调用处理器(system call handler). 他们会读取程序放入内存的数据参数, 并执行程序请求的服务系统调用完成后, 操作系统会重置CPU为用户态并返回系统调用的结果

进程间通信:

进程通信是指进程之间的信息交换。PV操作是低级通信方式,髙级通信方式是指以较高的效率传输大量数据的通信方式。高级通信方法主要有以下三个类。

共享存储

在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间,通过对这片共享空间进行写/读操作实现进程之间的信息交换。在对共享空间进行写/读操作时,需要使用同步互斥工具(如 P操作、V操作),对共享空间的写/读进行控制。共享存储又分为两种:低级方式的共享是基于数据结构的共享;高级方式则是基于存储区的共享。操作系统只负责为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具,而数据交换则由用户自己安排读/写指令完成。

需要注意的是,用户进程空间一般都是独立的,要想让两个用户进程共享空间必须通过特殊的系统调用实现,而进程内的线程是自然共享进程空间的。

共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种最有效的方式,不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中,所有进程都可以访问共享内存中的地址,就好像它们是由用C语言函数malloc分配的内存一样。而如果某个进程向共享内存写入数据,所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

 

此处输入图片的描述

 

注意共享内存并未提供同步机制,也就是说,在第一个进程结束对共享内存的写操作之前,并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取。所以通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问,例如前面说到的信号量。

采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次数据:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存区到输出文件。

消息传递

在消息传递系统中,进程间的数据交换是以格式化的消息(Message)为单位的。若通信的进程之间不存在可直接访问的共享空间,则必须利用操作系统提供的消息传递方法实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。

直接通信方式:发送进程直接把消息发送给接收进程,并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上,接收进程从消息缓冲队列中取得消息。

间接通信方式:发送进程把消息发送到某个中间实体中,接收进程从中间实体中取得消息。这种中间实体一般称为信箱,这种通信方式又称为信箱通信方式。该通信方式广泛应用于计算机网络中,相应的通信系统称为电子邮件系统。

管道通信

管道通信是消息传递的一种特殊方式。所谓“管道”,是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件,又名pipe文件。向管道(共享文件)提供输入的发送进程(即写进程),以字符流形式将大量的数据送入(写)管道;而接收管道输出的接收进程(即读进程),则从管道中接收(读)数据。为了协调双方的通信,管道机制必须提供以下三方面的协调能力:互斥、同步和确定对方的存在。

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