[系统运维]《操作系统》——进程管理（上）

一、进程与线程

• 为什么要引入进程？
  在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时他们将失去封闭性，并具有间断性和不可再现性的特征，为此引入进程的概念，以便更好的描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发型和共享性。
• 什么是进程？进程由什么组成？
  进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  PCB、程序段、数据段
• 进程是如何解决问题的？

（一）进程的概念和特征

1、进程和程序的区别？

• 程序：静态的，存储在磁盘里的可执行文件，指令集合
• 进程：动态的，是程序的一次执行过程

2、多个进程如何区分？——引入数据结构PCB（进程控制块）

PCB用于描述进程的基本情况和运行状态，进行控制和管理进程：

• 实现区分各个进程：PID、UID
• 实现资源管理：进程分配了哪些资源（内存、I/O、文件）
• 实现对进程的控制调度：进程的运行情况（cpu使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况）

PCB是进程存在的唯一标识

3、进程实体及其组成

进程实体（进程映像）：进程在某一时刻的快照（状态）
组成：

• PCB
• 程序段
• 数据段

注意：

• PCB是给操作系统用的，程序段和数据段是给进程自己用的
• 进程映像是静态的，进程是动态的

4、程序是如何运行的？

• 程序编译链接形成可执行文件存储在硬盘
• 程序运行前把程序放入内存
• 程序开始运行前，操作系统创建对应的进程，建立PCB
• 指令序列读入内存——程序段
• 内存中存放运行中产生的数据——数据段
• CPU从内存中取出指令开始运行

5、进程的定义？

• 进程是程序的一次执行过程
• 进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
• 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
• 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

6、名词理解

资源分配：对CPU、内存、I/O在时间上的分配，即时间片
调度：操作系统决定让这个进程上CPU运行

7、进程的特征

• 动态性——最基本
• 并发性——多个进程并发
• 独立性——是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
  引入线程后，线程是独立接受调度的基本单位，进程仍是独立获得资源的基本单位
• 异步性——由并发导致，为避免异步的混乱结果，从而引出“进程同步”
• 结构性——PCB+程序段+数据段

（二）进程的状态、进程的组织

1、进程的状态

• 创建态——系统完成创建进程的一系列工作

• 就绪态——万事俱备，只欠处理机
  进程被调度——>运行态

• 运行态——万事俱备，也拥有处理机
  1、进程用系统调用的方式申请某种系统资源，或请求等待某个事件发生——>阻塞态（主动行为）
  2、进程运行结束，或运行中遇到不可修复的错误——>终止态
  3、时间片到，或处理机被抢占——>就绪态

• 阻塞态——万事无，处理机无
  申请的资源被分配，或等待的事情发生（不包括对处理机的期待）——>就绪态（被动行为）

• 终止态——进程结束，释放资源

“丁字裤”模型

2、进程的组织

• 链接方式
  按照进程状态将PCB分为多个队列
  操作系统持有指向各个队列的指针
  -索引方式
  根据进程状态不同，建立几张索引表
  操作系统持有指向各个索引表的指针

（三）进程控制

1、概念

1）什么是进程控制？

进程控制就是要实现进程状态转换——讨论进程转换过程中操作系统做一些什么事情？

2）如何实现进程控制？

用原语实现“一气呵成”地转换状态

3）为什么进程控制（状态转换）的过程要“一气呵成”？

当PCB要从阻塞态转换到就绪态时，负责进程控制的内核程序至少要做两件事：
1、将PCB的state设置为1（state是在PCB中的一个标识进程当前所处状态的变量，state=1标识就绪态，state=2标识阻塞态）
2、将PCB从阻塞队列放到就绪队列
如果完成第一步后收到中断信号，转换过程被打断，会出现这种情况：PCB的state=1，但却在阻塞队列里

4）如何实现原语的原子性？

用“关中断指令”和“开中断指令”两个特权指令实现原子性（只能让内核使用，而不能让用户使用）

2、进程控制相关原语

• 进程的创建

• 进程的终止
  

• 进程的阻塞和唤醒
  被什么阻塞，就要被什么唤醒——唤醒原语和阻塞原语成对出现
  

• 进程切换
  保护运行环境：在进程下处理机之前，将PSW、PC、通用寄存器里的内容存入PCB
  恢复运行环境：根据PCB恢复进程所需运行环境
  （运行环境也叫进程上下文context）
  

3、总结

进程控制原语的三件事情：

• 更新PCB中的信息（修改进程状态state/保存/恢复运行环境）
• 将PCB插入合适的队列
• 分配/回收资源（在创建和终止原语中）

4、区分

• 进程切换：进程环境信息要改变
• 处理机模式切换：操作系统进入内核态前后的进程不变，只需要保存进入内核态之前的CPU环境，回到用户态后恢复环境
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• 调度：决定资源分配给哪一个进程的行为，决策
• 切换：实际分配的行为，执行
• 先有决策才有切换

（四）进程通信

1、什么是进程通信？

进程通信指进程之间的信息交换
进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立
为了保证安全，一个进程不能直接的访问另一个进程的地址空间，但进程间信息交换必须实现，所以操作系统提供了一些方法：

2、进程通信的方法

• 共享存储（大布袋）
• 管道通信（读进程最多只能有1个，数据一旦被读取，就从管道中被抛弃）
• 消息传递（写信）
  

（五）线程的概念和多线程模型

1、什么是线程？为什么要引入线程？

传统进程是程序执行流的最小单位，但有的进程可能需要同时做很多事情，二传统的进程只能串行的执行一系列程序，为此，引入了线程来增加并发度
EG、传统进程下，qq和微信是两个进程，能够实现并发执行，但qq内部的视频、文字只能串行执行，增加线程后，qq内部继续将视频、文字划分为线程，线程可以并发执行。

2、引入线程机制后，有什么变化？

引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位，每个进程可以有多个线程
但资源分配的最小单位仍然是进程，即，打印机分配给qq，而不是分配给qq内的文件线程

3、线程有哪些重要属性

3、线程的实现方式

• 用户级线程
  早期的操作系统只支持进程，不支持线程，当时的线程是由线程库实现的
  线程的管理工作由线程库来实现，而不是操作系统
  线程的切换同上
  操作系统意识不到用户级线程的存在
  优点：不涉及用户态和内核态的切换，开销小
  缺点：如图
  

• 内核级线程
  由操作系统支持的线程
  

• 组合方式

操作系统能看见内核级线程，只有内核级线程才是处理机分配的单位，所以，内核级线程是可以并发的，用户级线程只能在由内核级线程的情况下才能运行

4、多线程模型（用户级线程和内核级线程的连接方式）

多对一：一个线程阻塞，操作系统操作系统只看得见内核级线程，所以默认这个线程阻塞，用户层面的所有线程也被阻塞

二、处理机调度

• 为什么要进行处理机调度？

• 调度算法有哪几种？结合第一章学习的分时操作系统和实时操作系统，思考那种调度算法比较适合这两种操作系统？

（一）调度的概念、层次

1、调度的基本概念

当有一堆任务要处理，由于资源有限，这些事情没法同时处理，这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是调度研究的问题

2、三个层次

• 高级调度（作业调度）
  1、作业：一个具体的任务
  用户向系统提交一个作业=用户让操作系统启动一个程序来处理一个具体任务
  2、高级调度：因为内存空间有限，不能将用户提交的作业全部放入内存，当外存的作业后备队列中有好几个作业需要启动，先把哪个作业调入内存，就将相应的作业从外存的作业后备队列中选中调入内存，并创建进程（PCB），每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立PCB，调出时才撤销PCB。作业进入内存后变成进程。
• 低级调度（进程/处理机调度）
  因为内存中会存在很多进程处于就绪队列中，而处理机只能允许分配给一个进程，当就绪队列中有多个进程，应该先给哪一个进程分配处理机资源
• 中级调度（内存调度）
  因为内存资源有限，当内存中就绪队列中的进程过多时，可以将某些进程的数据调出到外存，等内存空闲或者需要运行时再重新调入内存。进程调出到外存仍是进程。处于挂起状态，组成挂起队列。中级调度：决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。

3、三层调度的联系、对比

4、补充知识

• 进程的挂起状态和七状态模型
  挂起态进一步分为就绪挂起和阻塞挂起
  1、就绪挂起：进程从就绪队列被调到外存的挂起队列
  （也能从运行态运行完毕调入外存，从创建态创建完毕被调入外存）
  2、阻塞挂起：进程从阻塞队列被调到外存的挂起队列

• 激活——挂起
  互为逆过程，但阻塞挂起可以直接到就绪挂起，所以阻塞挂起激活后能直接到就绪态

• 阻塞态——挂起态
  都是暂时不能获得CPU服务，但挂起态是将进程调到外存，而阻塞态仍在内存中
  

（二）进程调度（低级调度）的时机、切换与过程、进程调度方式

1、进程调度的时机

区分两个概念
内核程序临界区VS普通的临界区

2、进程调度VS进程切换、进程切换过程

进程切换是有代价的

3、进程调度方式

根据是否允许进程被动的放弃处理机分为：

（三）调度算法的评价指标

1、CPU利用率

CPU忙碌的时间占总时间的比例
有时也会计算某种设备的利用率

2、系统吞吐量

单位时间完成作业的数量

3、周转时间

指作业从被提交给系统开始，到作业完成为止的时间间隔
包括四个部分：

• 作业在后备队列上等待作业调度的时间（仅一次）
• 进程再就绪队列上等待进程调度的时间（多次）
• 进程再CPU上执行的时间（多次）
• 进程等待I/O操作完成的时间（多次）

周转时间=作业完成时间-作业提交时间

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操作系统更关系整体表现：

平均周转时间=各作业周转时间之和/作业数

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让不同执行时间的用户有相同的体验：

带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行的时间=（作业完成时间-作业提交时间）/作业实际运行时间

• 带权周转时间必然>=1
• 带权周转时间与周转时间都是越小越好：
  1、对周转时间相同的两个作业，实际运行时间长的作业再相同时间内被服务的时间更多，带权周转时间更小，用户满意度更高
  2、对实际运行时间相同的两个作业，周转时间短的带权周转时间更小，用户满意度更高

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平均带权周转时间=各作业带权周转时间之和/作业数

4、等待时间

指进程/作业处于等待处理机状态的时间之和，等待时间越长，用户满意度越低

• 对进程来说，等待时间指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待I/O完成的期间其实也是被服务的，不算入等待时间
• 对作业来说，作业在外存后备队列等待时间+建立进程后等待的时间

一般服务时间都是确定不变的，调度算法只会影响等待时间。
也有平均等待时间来评价整体性能

5、响应时间

指用户提交请求到首次产生响应所用的时间

（四）调度算法

1、学习思路

• 算法思想
• 算法规则
• 用于作业调度还是进程调度
• 抢占式？非抢占式？
• 优点和缺点
• 是否会导致饥饿（某进程/作业长期得不到服务）

2、先来先服务FCFS

3、短作业优先SJF

抢占式：除了在当前进程主动放弃处理机时要发生调度，每当就绪队列发生改变时，也需要检查是否会发生抢占，调度新的进程

4、HRRN

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5、时间片轮转RR——用于分时操作系统，关心响应时间

6、优先级——实时操作系统

通过不同的方法确定优先级
静态优先级
动态优先级（EG最高响应比）
根据优先级排序进行调度（分为抢占式/非抢占式）

非抢占式：

抢占式：

7、多级反馈队列