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进程相关问题

进程相关问题

最近在准备夏令营的相关事宜,所以开始复习操作系统的相关知识。初时学习操作系统,觉得知识特别庞杂,不过这次复习起来却轻车熟路,当时很多不明觉厉的知识都开始清晰起来,过了一遍之后甚至觉得知识太少了。

考研、工作的面试中操作系统的知识是必问的,而在操作系统中,我觉得:进程线程的管理、存储管理、文件管理是其中最核心的部分,所以我的复习也主要集中与此。

程序执行

程序执行主要有顺序执行和并发执行两种方式:

  • 程序顺序执行时具有:顺序性、封闭性、可再现性三个重要特征。可以用前驱图来描述程序执行的先后顺序,但需要注意的是,前驱图是个 DAG,也就是说前驱图中不能出现环,也就无法描述程序中的循环。
  • 程序并发执行时的特性无疑不同于顺序执行,主要有:间断性、失去封闭性、不可再现性。

引入进程

在多道程序设计的环境中,需要引入进程的概念。

进程的定义为:进程是进程实体的运行过程,是系统进行资源分配和调度的基本单位

  • 结构
    进程实体 = 进程控制块(PCB)+ 程序段 + 相关数据段
  • 特征
    • 动态性(最基本的特征):进程是进程实体执行的一次动态过程
    • 并发性
    • 独立性:进程是独立接受资源和独立接受调度的基本单位
    • 异步性
不同与程序
  • 进程是一个动态的概念
  • 进程是暂时的
  • 进程可以真实的描述并发
  • 进程有创建其他进程的功能
  • 同一个程序运行在不同的数据上,那么他就是不同的进程

进程的状态

进程的状态 = \begin{cases} 执行 \\ 就绪= \begin{cases} 静止就绪& \\ 活动就绪& \end{cases} \\ 阻塞= \begin{cases} 静止阻塞& \\ 活动阻塞& \end{cases} \end{cases}
状态的切换

image.png

进程控制块

存放进程管理和控制信息的数据结构称为进程控制块,随进程建立而建立随进程撤销而撤销。进程控制块是进程的唯一标识。

信息:
  • 进程标识符
  • 处理机状态
    • 程序计数器
    • 通用寄存器信息
    • 用户堆栈指针
    • 程序状态字
  • 进程调度信息
    • 进程状态
    • 进程优先级
    • 其他信息
  • 进程控制信息
    • 程序和数据地址
    • 同步和通讯机制
组织方法
  • 链式:就绪、阻塞、空白队列,使用专门的寄存器保存队列首元素指针,队列元素间通过指针相连
  • 索引:建立:就绪、阻塞、空白索引表,使用专门的寄存器保存表的首地址

进程控制

进程控制由 OS 的内核通过一组原语(系统调用,执行时不会被打断)来实现。

原语不会被打断,是通过关中断实现的

进程创建
  1. 申请空白 PCB
  2. 分配资源
  3. 初始化 PCB
  4. 将进程插入就绪队列
进程终止
  1. 终止进程(包括子孙进程)
  2. 释放资源
  3. 将 PCB 从队列中移出
进程阻塞与唤醒
  • 阻塞:PCB 状态改为阻塞,插入阻塞队列
  • 唤醒:PCB 队列改为就绪,插入就绪队列
进程挂起与激活
  • 挂起:执行或活动就绪则改为静止就绪,活动阻塞改为静止阻塞
  • 激活:静止阻塞改为活动阻塞,静止就绪改为活动就绪

进程同步

进程间的制约关系:

  • 间接制约:资源合作
  • 直接制约:进程合作

临界资源:必须互斥访问的资源

临界区;访问临界资源的代码

信号量的机制

整形信号量

整形信号量没有让权等待的机制,导致忙等

记录性信号量
  • 生产者消费者问题

假定在生产者和消费者之间的公用缓冲池具有 n 个缓冲区,可利用互斥信号量 mutex 实现诸进程对缓冲池的互斥使用,利用信号量 empty 和 full 分别表示缓冲池中空缓冲池和满缓冲池的数量。

1producer
2begin
3    wait(empty)
4    wait(mutex)
5    ...
6    signal(mutex)
7    signal(full)
8end
1consumer
2begin
3    wait(full)
4    wait(mutex)
5    ...
6    signal(mutex)
7    signal(empty)
8end

注意:

  1. wait(mutex)signal(mutex) 必须成对出现
  2. wait(empty) 必须出现在 wait(mutex) 之前,否则会死锁
  • 哲学家就餐问题

五个哲学家共用一张圆桌,分别坐在周围的五张椅子上,在桌子上有五只碗和五只筷子,他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时,一个哲学家进行思考,饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子,只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐毕,放下筷子继续思考。

1begin
2    wait (chopstick[i]);
3    wait (chopstick[(i+1)%5]);
4    ...
5    eat;
6    ...
7    signal (chopstick[i]);
8    signal (chopstick[(i+1)%5]);
9end

这时不会出现两人同时拿起同一只筷子的情况(不会发生混乱),但是会造成死锁。为了解决死锁需要引入更多的限制,比如:"至多只允许有四位哲学家同时去拿左边的筷子"等等。

或者采用 AND 性信号量机制

1begin
2    Swait(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );
3    ...
4    eat;
5    ...
6    Ssignal(chopstick[ ( i +1) mod 5] , chopstick[ i ] );   
7end
  • 读者写者问题

允许多个进程同时读一个共享对象,但不允许一个 Writer 进程和其他 Reader 进程共享对象,或者多个 Write 进程同时访问共享对象。

 1reader
 2begin
 3    wait(rmutex)
 4    if(readercount==0) wait(wmutex)
 5    //访问了临界资源readercount,所以要在wait操作后
 6    readercount++
 7    signal(rmutex)
 8    ...
 9    read
10    ...
11    wait(rmutex)
12    readercount--
13    if(readercount==0) signal(wmutex)
14    signal(rmutex)
15end
1writer
2begin
3    wait(wmutex);
4    ...
5    write 
6    ...
7    signal(wmutex);
8end 
  • 管程

是一种封装好的程序结构,他将临界资源封装在内部,提供接口给外部保证进程互斥访问临界资源,使得临界资源的访问控制变得很方便。

但是我也没弄懂这东西,所以细节就不多阐述了。

线程

引入线程的目的在于解决程序并发执行时,切换进程时空开销过大的问题,进一步提高系统的并发程度。

回顾一下进程的属性中很重要的一点,进程是资源分配的基本单位,这也就导致了进程在创建甚至是切换时,都必须付出很大的时空开销保存与进程相关的资源的状态信息。

因此人们引入了线程的概念,将调度单位和资源分配单位分开。线程作为调度单位,进程作为资源分配单位。

线程只用于少量必须的资源如:程序计数器、一组寄存器等。同一个进程中的多个进程同时共享进程的资源,一个线程可以创建和撤销其他线程。每个进程都至少包含一个线程。

  • 用户级线程

内核完全不知道用户级线程的存在,只能感知到线程属于的进程的存在,线程的创建、撤销都不需要内核的参与,这样节省了内核去切换线程的时间开销,但是也带来了弊端。

内核不知道线程的存在,所以处理机的分配是以进程为单位的,进程内的线程共享分配给进程的时间片。用户线程也不能将线程分散到多个处理器上。同时由于一个线程触发阻塞会导致整个进程阻塞。

  • 内核级线程

内核线程建立和销毁都是由操作系统负责、通过系统调用完成的。线程管理的所有工作由内核完成,应用程序没有进行线程管理的代码,只有一个到内核级线程的编程接口。这些线程可以在全系统内进行资源的竞争。


标题:进程相关问题
作者:Hanmengnan
地址:https://www.wendau.com/articles/2020/05/25/1588396047807.html