标签：复习 处理机 process 调度 笔记 PCB 线程 进程 大纲

进程的概念

• 定义
  • 是程序的一次执行过程
  • 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
  • 进程是一个具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程,他是系统进行资源分配和调度的一个基本单位
• 为了使参与并发执行的程序能够独立的运行，必须为之配置一个专门的数据结构(PCB，Process Control Block).
  • 系统利用PCB来描述进程的基本信息和运行状态,进而控制进和管理进程
  • 相应的由程序段,相关数据段和PCB三部分构成了进程映像(进程实体)。dyld->mmap
  • 所谓的创建进程就是创建进程映像中的PCB,而撤销进程则是撤销进程的PCB
  • PCB是进程存在的唯一标志
• 在引入进程实体的之后,它可以重新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一个独立单位(标准答案)

进程的特征

• 动态性: 进程是程序的一次运行过程，它有着创建，活动，暂停，终止等过程,具有一定的生命周期,是动态产生,变化和消亡的,动态性是进程最基本的特征。 类比MainActivity/AppDelegate,他们的部分状态也是基于进程的状态得来的。
• 并发性: 多个进程实体同时存在于内存并发执行
• 独立性: 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,需要创建PCB。
• 异步性: 由于进程之间是互相制约的,使得进程的执行具有间断性,进程按各自独立的不可预知的速度向前推进,异步会导致执行结果的不可预见性,为此操作系统必须配置相应的进程同步机制。
• 结构性：每个进程都有一块PCB对齐进行描述,从结构上来看进程是有程序段数据段和进程控制块三部分组成
  • 通过Windows任务管理器或者Mac的活动监视器可以看到进程信息

进程的状态与转换

• 运行态: 进程正在运行,在单处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行状态
• 就绪态: 进程获得了除处理机意外的一切所需资源,一旦得到了处理机，便可以立即运行.系统中通常会有多个进程处理就绪态,将他们拍成一个队列,称作为就绪队列。
• 阻塞态: 又称等待态,进程正在等待某一件事情而暂停运行,如果等待某资源为可以用(不包括处理机)或等待输入/输出完成,即使在空闲时间,该进程也不能运行。
• 创建态: 进程正在被创建,尚未赚到就绪状态,创建线程通常需要多个步骤,首先申请一个空白的PCB，并向PCB中写一些控制和管理进程的信息,然后由系统分配运行时所必须的资源,最后把进程设置为就绪状态。

• 结束态: 进程正在从系统中消息,可以是正常结束或者是其它原因中断退出运行。进程需要结束时,系统首先必须设置该进程为结束状态，然后在进一步处理资源释放和回收工作。

  注意区分就绪态和等待态,就绪态只是缺少处理机,等待态可能是缺少资源

  

进程控制

• 主要功能: 对系统中的进程实施有效的管理,是它具有创建新进程,撤销已有进程,实现进程状态转换功能,在操作系统中一般把进程控制用的程序段成为原语。
• 进程的创建
  • 为新进程分配一个唯一的进程标示号，并申请一个空白的PCB(PCB是有限的)。失败则返回创建失败。
  • 为进程申请资源,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),若资源不足(如内存空间)则返回阻塞状态,而不是就绪状态,等待内存资源
  • 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的处理机控制信息(标记，状态,处理机控制信息),以及进程的优先级等。
  • 若进程就绪队列能够接纳新的进程，则将进程插入就绪队列,等待被调度运行。
• 进程终止
  • 引起进程终止的原因有很多,常见的有 数组越界，保护错，非法指令,特权指令，运行超时，算数运算错，I/O故障等,外界干预，父亲进程请求终止,用户关闭
  • 终止过程如下
    • 根据被终止的进程标示符，检索PCB,从中读取该进程的状态。
    • 若被终止的进程处于执行状态，立刻终止该进程的执行,并剥夺其处理机资源分配给其它进程。
    • 若该进程还有子进程,则终止其所有的子进程
    • 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
    • 将该PCB从所在队列(链表)中删除。
  • 进程的阻塞和唤醒
    阻塞原语
    • 进程标示号 -> PCB
    • 若进程处于运行(类似上一篇文章提到的中断)保护现场,将其转化为阻塞状态,停止运行
    • 把该PCB插入相应的事件队列,将处理机资源调度给其它的就绪进程
      唤醒原语
    • 进程标示号 -> 事件等待队列 -> PCB
    • 将该PCB移除事件等待队列,并设置其状态为就绪状态
    • 将PCB再插入到就绪对垒等待调度程序调度
      阻塞和唤醒原语的最大区别: 阻塞是立即清除,唤醒是插入到队列后等待调度
  • 进程的切换
    • 保存处理机上下文(Context),包括程序计数器和其它寄存器
    • 更新PCB信息
    • 把PCB移动到相应的队列,如在就绪,在某事件阻塞等待队列
    • 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
      > 关键字: 上下文,数据管理结构,计数器,寄存器

进程的组织

• 进程控制块

- mac上的进程可视化界面,除了 寄存器没能很直观的看出,其它的基本都能找到对应关系,另外这里多了挂起队列比书上的状态多了一些,应该是苹果系统对进程的控制做了更多的优化和改进的缘故。
  ![](media/16026041703877/16026080890448.jpg)

• kernel_liteos中PCB的定义如下

  typedef struct ProcessCB {
      CHAR                 processName[OS_PCB_NAME_LEN]; /**< Process name */ 进程名称
  
      UINT32               processID;                    /**< Process ID */ 进程id
  
      UINT16               processStatus;                /**< [15:4] Process Status;  进程状态[3:0] The number of threads currently
  
                                                              running in the process */
  
      UINT16               priority;                     /**< Process priority */ 进程优先级
  
      UINT16               policy;                       /**< Process policy */ 进程管理策略
  
      UINT16               timeSlice;                    /**< Remaining time slice */ 进程剩余 时间片
  
      UINT16               consoleID;                    /**< The console id of task  belongs  */  日志输出相关,便于区分进程的日志信息
  
      UINT16               processMode;                  /**< Kernel Mode:0; User Mode:1;  */  区分内核调用还是用户调用
  
      UINT32               parentProcessID;              /**< Parent process ID */ 父进程id
  
      UINT32               exitCode;                     /**< Process exit status */ 进程退出的code
  
      LOS_DL_LIST          pendList;                     /**< Block list to which the process belongs */  PCB当前所在的队列,如等待队列,就绪队列
  
      LOS_DL_LIST          childrenList;                 /**< Children process list */ 它所关联的子进程
  
      LOS_DL_LIST          exitChildList;                /**< Exit children process list */
  
      LOS_DL_LIST          siblingList;                  /**< Linkage in parent's children list */
  
      ProcessGroup         *group;                       /**< Process group to which a process belongs */ 进程组
  
      LOS_DL_LIST          subordinateGroupList;         /**< Linkage in group list */
  
      UINT32               threadGroupID;                /**< Which thread group , is the main thread ID of the process */
  
      UINT32               threadScheduleMap;            /**< The scheduling bitmap table for the thread group of the
  
                                                              process */
  
      LOS_DL_LIST          threadSiblingList;            /**< List of threads under this process */
  
      LOS_DL_LIST          threadPriQueueList[OS_PRIORITY_QUEUE_NUM]; /**< The process's thread group schedules the
  
                                                                           priority hash table */
  
      volatile UINT32      threadNumber; /**< Number of threads alive under this process */ 当前进程所拥有的线程
  
      UINT32               threadCount;  /**< Total number of threads created under this process */
  
      LOS_DL_LIST          waitList;     /**< The process holds the waitLits to support wait/waitpid */
  
  #if (LOSCFG_KERNEL_SMP == YES)
  
      UINT32               timerCpu;     /**< CPU core number of this task is delayed or pended */
  
  #endif
  
      UINTPTR              sigHandler;   /**< Signal handler */ 捕获进程成义仓你用
  
      sigset_t             sigShare;     /**< Signal share bit */  
  
  #if (LOSCFG_KERNEL_LITEIPC == YES)
  
      ProcIpcInfo         ipcInfo;       /**< Memory pool for lite ipc */
  
  #endif
  
      LosVmSpace          *vmSpace;      /**< VMM space for processes */
  
  #ifdef LOSCFG_FS_VFS
  
      struct files_struct *files;        /**< Files held by the process */  
  
  #endif
  
      timer_t             timerID;       /**< ITimer */
  
  #ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY
  
      User                *user;
  
      UINT32              capability;
  
  #endif
  
  #ifdef LOSCFG_SECURITY_VID
  
      TimerIdMap          timerIdMap;
  
  #endif
  
  #ifdef LOSCFG_DRIVERS_TZDRIVER
  
      struct file         *execFile;     /**< Exec bin of the process */ 执行文件
  
  #endif
  
      mode_t umask;
  
  } LosProcessCB;
  

  • 程序段: 能被进程调度程序调度到CPU执行的程序段代码,程序可以被多个进程共享,及多个进程可以运行同一个程序.
  • 数据段: 一个进程的数据段,可以是进程对应用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

进程通信

• 共享存储: 通过共享空间来实现,比如共享内存中某个字典,共享磁盘空间
• 消息传递: 进程与进程之间通过各自的端口来收发消息,(从表现形式来看Flutter的Isolate的实现方式也比较像是一种消息传递)
• 管道通信: 管道(pipe)通信是消息通信的一种特殊传递方式,链接一个读进程和一个写进程
  • 在Lunix中管道通信是一种非常频繁的通信机制,管道也是一种文件，他和一般的文件略有不通,是一个固定大小的缓冲区
  • 管道传递数据需要注意数据的读写同步问题,数据一段读取他就会从管道中释放，
  • 管道只能采用半双工通信,某一个时刻只能单向传输,要实现父子进程双方互动通信，则需要两个管道。

线程和多线程模型

• 概念
  • 线程是一个轻量级级进程,它是一个基本的CPU执行单元,也是程序执行流的最小单元，由线程id,程序计数器,寄存器集合,堆栈组成,线程是进程中的一个实体,是被系统独立调度和派发的基本单位
• 目的
  • 引入线程的目的是为了更好地使用多道程序并发执行,提高资源利用率和系统吞吐量,而引入线程的目的则是为了减小程序在并发执行时候所付出的开销,提高操作系统的并发性能。
• 效果
  • 引入线程之后,进程的内涵发生了改变,进程除了作为CPU外的系统资源的分配单元，而线程作为处理机的分配单元,由于一个进程内部有多个线程,若线程切换发生通一个进程内部,则只需要很少的时间开销。
  • 下面是一个线程的基本结构
    C typedef __darwin_pthread_t pthread_t;
struct _opaque_pthread_t {
long __sig;
struct __darwin_pthread_handler_rec *__cleanup_stack;
char __opaque[__PTHREAD_SIZE__];
};
struct __darwin_pthread_handler_rec {
void (*__routine)(void *); // Routine to call
void *__arg; // Argument to pass
struct __darwin_pthread_handler_rec *__next;
};
• 线程与进程比较
  • 调度: 在传统的操作系统中,拥有资源和独立调度的基本单位都是进程,而在引入线程的操作系统中,线程是独立的调度单位，进程是拥有资源的基本单位，同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换; 在不同的进程中进行切换线程，会引起继承的切换
  • 拥有资源: 不论在传统的操作系统还是设置有线程的操作系统,进程都是拥有资源的基本单位,而线程不拥有系统资源,它只是能共享所在进程的资源
  • 并发性: 都拥有
  • 地址空间和其它资源(如打开文件): 同一进程下的线程共享资源,不同进程的线程不能共享
  • 系统开销: 切换线程只需要保存和设置少量的寄存器内容,开销很小,同一个进程內的线程通信开销小,甚至无需操作系统的干预
  • 通信方面: 进程通信(IPC)需要进程同步和同步手段辅助,保证数据的一致性,而线程可以直接读写数据段来进行通信
• 线程状态
  • 创建,阻塞，就绪,运行,销毁
• 线程的实现方式
  • 用户级别线程(User-Level Thread, ULT)
  • 内核级别线程(Kernel-Level)
• 多线程模型
  • 多对一: 将多个用户级线程映射到一个内核级线程, 容易阻塞
  • 一对一: 创建线程开销大，影响程序性能
  • 多对多: 综合方案

处理机调度

• 概念
  • 多道程序操作系统的基础,操作系统设计的核心问题

• 调度层次

  • 作业调度: 内存与辅存之间的调度
  • 中级调度: 内存调度,其作作用是提高系统的吞吐量,暂时不用而不运行的进程调至室外等待，把此时的进程挂起,当他们具有已经运行的条件的时候，同时内存有空闲的时候再调度回来,修改PCB状态为就绪状态,挂在等待队列上
  • 进程调度: 按照某种方法和策略,从就绪队列汇总选取一个进程,将处理机分配给他。
  • 图解
    

• 三级调度的联系

  • 作业调度为进程的活动做准备,例如启动时mainThread的各种初始化加载； 中级调度将暂时用能运行的进程挂起,中级调度处于之间,所有有个中字
  • 作业调度次数少,中级调度次数多,进程调度频率对高(进程多了阻塞,就绪挂起态,状态多了切换也就频繁了)
  • 进程调度时最基本的，不可缺少

调度时机,切换与过程

• 以下几种情况不能处理进程切换
  • 在处理中断的过程中,中断操作处于核心态比较重要,原语操作,不能切换
  • 进程在操作系统内核的临界区: 进入临界区需要枷锁占有共享数据,为了更快的释放所,不应该切换

TODO:

标签：复习,处理机,process,调度,笔记,PCB,线程,进程,大纲
来源： https://www.cnblogs.com/wwoo/p/jin-cheng-guan-li-fu-xi-da-gang-bi-ji.html

本站声明： 1. iCode9 技术分享网（下文简称本站）提供的所有内容，仅供技术学习、探讨和分享；
2. 关于本站的所有留言、评论、转载及引用，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
3. 关于本站的所有言论和文字，纯属内容发起人的个人观点，与本站观点和立场无关；
4. 本站文章均是网友提供，不完全保证技术分享内容的完整性、准确性、时效性、风险性和版权归属；如您发现该文章侵犯了您的权益，可联系我们第一时间进行删除；
5. 本站为非盈利性的个人网站，所有内容不会用来进行牟利，也不会利用任何形式的广告来间接获益，纯粹是为了广大技术爱好者提供技术内容和技术思想的分享性交流网站。