26计算机操作系统408考研-操作系统进程与线程篇章(三)

本文主要是介绍26计算机操作系统408考研-操作系统进程与线程篇章(三)，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

操作系统进程与线程篇章

文章目录

操作系统进程与线程篇章
前言
一、进程概念
- 进程控制块
- 进程创建
- 进程终止
- 进程的阻塞和唤醒
- - 进程唤醒
- 进程挂起和激活
线程
- 多线程
- 线程实现与线程模型
总结
- 互斥和同步
- 并发原理
- 硬件同步
- 信号量机制
- 信号量的应用
- 管程
- 经典同步问题
- 消息传递

前言

一、进程概念

3.1.1 程序的顺序执行及其特征

程序的顺序执行
通常可以把一个应用程序分成若干个程序段，各程序段之间必须按照某种先后次序顺序执行，仅当前一程序段（操作）执行完后，才能执行后继程序段（操作）。
程序的顺序执行

图 3.1 多道程序的顺序执行

3.1.1 程序的顺序执行及其特征

顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在上一个操作结束之后开始。
封闭性：程序是在封闭的环境下执行的，即程序运行时独占整个系统资源，资源的状态（除初始状态外）只有本程序可以改变。
可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它的执行方式如何，是连续执行，还是“走走停停”的执行，其结果都是相同的。

3.1.2 程序的并发执行及其特征

程序的并发执行
为了提高计算机的利用率、处理速度和系统的吞吐量，并行处理技术和并发程序设计技术在计算机中已经得到了广泛应用，成为了现代操作系统的基本特征之一。

前趋图的引入：前趋图是一个有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG）
考虑具有以下四条语句的一个程序段：

           S1: a:=x+2;S2: b:=y+4;S3: c:=a+b;S4: d:=c+b;

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3.1.2 程序的并发执行及其特征

间断（异步）性：程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为了完成同一任务而相互合作，致使这些并发程序之间形成了相互制约的关系。
失去封闭性：程序在并发执行时，多个程序共享系统中的各种资源，因此，系统资源的状态将由多个程序来改变，致使程序失去了封闭性。
3.不可再现性： 程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致其失去执行的可再现性。

3.1.3 进程的概念及其特征

使程序能够并发执行，并能够对并发执行的程序进行描述和控制 ——进程

已有的进程定义：

进程是程序的一次执行；
进程是可以和别的计算并发执行的计算；
进程是定义在一个数据结构上，并能够在其上进行操作的一个程序；
进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

我们将进程定义为：
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。

程序和进程之间的区别与联系：

程序是完成特定任务的一组指令的结合，可以永久保存，具有静态性；

进程是程序在某一数据结构上的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位，具有动态性；

一个进程可以包含多个程序，一个程序也可以被多个进程执行。

3.1.4 进程状态

包含 运行态（Running） 和 非运行态（Not running） 两种进程状态

创建了一个新进程之后，它会以非运行态加入到系统中，等到操作系统为其分派处理器

当前处于运行态的进程会不时地中断，由系统中的分派器选择处于非运行状中的某一个进程运行

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2.五状态模型

包括就绪态（Ready）、运行态（Running）、阻塞态（Blocked）、新建态（New）和终止态（Terminate）

进程状态描述：

新建态：刚刚创建的新进程，通常是指进程控制块已经创建，但还没有加载到系统内存中的进程。

就绪态：进程等待系统为其分派处理器，而此时处理器被其它进程占据，所以该状态进程不能执行，但已经具备了除处理器之外的进程执行所需要的所有条件。

运行态：进程已获得所需资源并占据处理器，处理器正在执行该进程。

阻塞态：也称为等待态、挂起态或睡眠态，进程在等待某个事情的发生而暂时不能运行，例如等待某个I/O操作的完成。

终止态：进程或者因为执行结束或者因为被撤销而从可执行进程组中退出。

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进程状态间可能的转换及原因有：

新建→就绪：系统纳入一个新进程。
就绪→运行：进程被调度程序选中，占据处理器而进入运行状态。
运行→终止：进程运行结束或被撤销则退出系统进入终止态。
运行→就绪：进程分配的占据处理器的时间片已经用完，或者是具有更高优先级的进程进入系统，当前正在运行的进程被抢占了处理器，此时进程从运行态转换到就绪态。
运行→阻塞：进程在等待系统分配资源或者等待某些事件的发生，进程让出处理器由运行态转入阻塞态。
阻塞→就绪：处于阻塞队列中的进程等待的资源可用或者等待的事件发生之后，进程从阻塞态转换到就绪态，等待处理器选中它运行。

挂起状态的引入

对于内存中的多个进程，处理器依次选中运行，当一个进程正在等待I/O事件发生时，处理器转移到另一个进程。但是，处理器的速度比I/O要快很多，有可能内存中所有进程都在等待I/O事件的完成，导致处理器处于空闲状态。

引入挂起（Suspend）的概念：内存中没有就绪的进程时，系统将内存中处于阻塞的进程换出到外存中的挂起队列，而将外存中的就绪进程激活，换入到内存.

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进程控制块

进程控制块（Process control block, PCB）是操作系统用来记录进程状态和相关信息，控制进程运行的数据结构，是进程的唯一标识符.

在PCB中，主要包含如下的信息:
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进程控制是进程管理中最基本的功能

在操作系统中，不同功能都是通过执行各种原语（Primitive）操作实现

原语是由若干条指令构成、可完成特定功能的程序段.

进程创建

引起进程创建的事件：
批处理作业
用户登录
提供服务
进程派生

创建一个新进程的具体步骤：

（1）系统为新建进程申请一个空白的进程控制块，获得一个唯一的进程标识符。
（2）系统为新建进程分配运行所需的资源，包括：内存、处理器时间、I/O设备等。
（3）进程控制块（PCB）初始化。
（4）设置链接，如果就绪队列允许新进程插入，则将新进程插入就绪队列。

引起进程终止的事件：

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进程终止

终止原语的具体步骤：

（1）根据需要终止进程的进程标识符，从PCB集合中查找对应的进程，从中读出该进程的状态。
（2）若被终止进程正处在执行状态，则应立即终止该进程的执行，并设置相应的调度信息，用于指示该进程被终止后应重新进行调度。
（3）将被终止进程所拥有的所有资源归还给其父进程，或者归还给系统。
（4）若被终止进程还拥有子孙进程，则将其所有子孙进程一并终止。
（5）归还PCB所占据的空间。