进程 | 行为模型、描述、控制
一、什么是进程？
进程的多种定义：
- 一个正在执行的程序。
- 一个正在计算机上执行的程序实例。
- 能分配给处理器并偶处理器执行的实体。
- 由一组命令、一个当前状态、一组相关系统资源表征的活动单元。
- 由一组 “元素” 组成的实体。
二、进程行为模型
进程行为模型用以描述进程所表现出的行为。
1、两态模型
操作系统控制进程的执行，包括确定交替执行方式、给进程分配资源，而我们需要描述进程所表现出的行为。
我们知道，进程要么正在执行、要么未执行，因而构建最简单的两状态模型，进程处于以下两种状态：运行态、非运行态。
操作系统创建进程时，该进程以未运行态加入，等待执行机会。时不时中断当前运行进程，分配器将选择一个新进程运行，前一个进程转换为未运行状态，后一个进程转换为运行状态。
① 进程创建
- 新的任务：任务运行开始
- 交互登录：终端用户登录
- 操作系统创建：操作系统创建进程，代表用户程序执行某些功能
- 现有进程派生：模块化设计，父进程派生子进程
② 进程终止
计算机系统提供表示进程完成的方法，通常批处理作业中包含Halt指令产生一个中断，告诉操作系统进程已经完成。而对于交互式应用程序，何时终止取决于用户行为。在分时系统中，用户退出系统、关闭终端时，终止该用户的进程。
- 正常完成：任务运行结束
- 超过时限：运行时间超出限制
- 无可用内存：无法满足所需内存空间
- 超出范围：访问不存在的内存单元
- 保护错误：访问不允许使用的资源 / 访问访问方式不正确（向只读文件中写入）
- 算术错误：进行被禁止的运算（除0、大于可接纳数字）
- 时间超出：时间发生时间超过规定最大值
- I/O失败：输入输出错误（找不到文件、遇到磁盘坏区、从打印机中读）
- 无效指令：执行不存在的指令（转移到数据区企图执行数据）
- 特权指令：试图使用为操作系统保留的指令。
- 数据误用：错误类型 / 未初始化的数据
- 操作系统干涉：操作系统终止进程（出现死锁）
- 父进程终止：父进程终止，子进程可能会被自动终止
- 父进程请求：父进程拥有终止子进程的权利
2、五态模型
队列是 “先进先出(FIFO)” 表，对于可运行进程，处理器以一种轮转(round-robin)方式操作（单纯按时间划分，出队列执行，时限到重新入队列，又称时分复用）。
这种简单的描述方式考虑不够全面：
- 忽略I/O阻塞、优先级等要素，故将非运行态划分为：就绪态（Ready）、阻塞态（Blocked）。
- 部分进程已创建控制块而未入内存，故引入：新建态（New）。
- 进程结束后，为便于操作系统回收、处理相关信息，故引入：退出态（Exit）。
| 进程状态 | 描述 |
|---|---|
| 新建态 | 新创建进程，因进程控制块创建但未加载至内存，而未被加入可执行组 |
| 就绪态 | 进程做好准备，有机会就执行。 |
| 运行态 | 进程正在执行 |
| 阻塞态（等待态） | 进程因事件无法执行（如I/O操作） |
| 推出态 | 从可执行组释放：自身停止 / 被取消 |
状态转换：
| 状态转换 | 相关事件 |
|---|---|
| 空 → 新建 | 创建一个执行程序的新进程 |
| 新建 → 就绪 | 表示操作系统准备好接纳新进程(基于当前进程数限制虚存, 防止性能下降) |
| 就绪 → 运行 | 调度器 / 分派器选择处于就绪态的新进程进入运行态 |
| 运行 → 退出 | 进程自身已完成 / 取消 |
| 运行→ 就绪 | ① 正在运行进程到达“允许不中断执行”的最大时间段 ② 高优先级进程B等待事件发生就绪 → 低优先级进程A被进程B 抢占(preempted)中断进入就绪态 |
| 运行 → 阻塞 | 进程请求必须等待事件，对操作系统的请求通常以系统服务调用的形式发出。 |
| 阻塞 → 就绪 | 进程等待事件发生 |
| 就绪 → 退出 阻塞 → 退出 | ① 父进程可终止子进程 ② 父进程终止 → 子进程同时终止 |
就绪队列 & 阻塞队列：
3、七态模型
引入“交换”：
前面介绍了三个基本状态：就绪态、运行态、阻塞态，很多系统都围绕这三种状态具体构建。
但 I/0 活动原慢于CPU，使得后者大多数时间处于空闲状态，队列的改善也为完全解决此问题，可能出现内存中所有进程都在等待 I/0 的现象，所以出现了两种解决方法：
- 扩充内存： 容纳进程数更多，但带来两个问题：①内存大小增加过大价格随之增加。 ② 需求速度快于价格下降速度 。
- 交换： 将进程部分 / 全部转移到磁盘中，内存中不存在就绪进程，将被阻塞进程换出至磁盘中的
挂起队列(suspend queue)，操作系统要么从挂起队列中取出一个进程，要么接受新进程放入内存运行，由于磁盘 I/0 速度很快 ，因此 交换 通常情况下会提升性能。
为更好的描述交换，进程行为模型必须增加一个状态：挂起态
- 当内存中所有进程处于阻塞态，可将一个进程置为挂起态，并调入另一个进程（内存空间的交换）。
由于将被阻塞的挂起进程取回内存没有意义，事件仍未发生，所以应考虑两个因素：
- 阻塞与否
- 挂起与否
容纳 2 × 2组合所需的 4个状态：
| 进程状态 | 描述 |
|---|---|
| 就绪态 | 进程在内存 可执行 |
| 阻塞态 | 进程在内存 等待事件 |
| 就绪 / 挂起态 | 进程在外存 只要载入内存就可执行 |
| 阻塞 / 挂起态 | 程在内存 等待事件 |
新增状态转换：
| 状态转换 | 相关事件 |
|---|---|
| 阻塞 → 阻塞 / 挂起 | |
| 阻塞 / 挂起 → 就绪 / 挂起 | |
| 就绪 / 挂起 → 就绪 | |
| 就绪 → 就绪 / 挂起 | |
| 新建→ 就绪 / 挂起 新建→ 就绪 | |
| 阻塞 / 挂起 → 阻塞 | |
| 运行 → 就绪 / 挂起 | |
| 各种状态 → 退出 |
挂起态进程特点：
- 不能立即执行
- 阻塞、挂起分离考虑（阻塞事件的发生不会立即换入内存）
- 为阻止进程运行，可通过代理（进程自身、操作系统）将其置于挂起态。
- 除非代理显式地命令状态转换，否则此状态无法转移。
进程挂起原因：
| 事件 | 说明 |
|---|---|
| 交换 | 操作系统需要释放内存空间 |
| 其他OS原因 | 挂起后台进程、工具进程、可能导致问题的进程 |
| 交互式用户请求 | 用户请求，便于进行调试、关联资源使用 |
| 定时 | 周期性执行进程（记账、系统监视进程） |
| 父进程请求 | ① 父进程检查、修改被挂起进程 ② 父进程协调后台进程间的行为 |
三、进程描述
操作系统分派、调度进程，并为其分配资源，相应基本服务请求。要控制进程并管理资源，需要哪些信息？
1、操作系统控制结构
操作系统为管理进程、资源，掌握状态，构建并维护其每个管理实体的信息表，共有以下四种：
① 内存表（memory table）
跟踪内存（实存）、外存（虚存），内存部分为操作系统保留，其余部分供进程使用，包含信息如下：
- 分配给进程的内存、外存。
- 内存块、虚存块的任何保护属性（哪些进程访问某些共享内存区域）
- 管理虚存所需要的任何信息
② I/O 表（I/O table）
操作系统使用 I/0 表管理计算机中的 I/0 设备、通道，进行 I/0 操作时，操作系统知道 I/0 操作状态、I/0 传送的源头、目标内存单元。
③ 文件表（file table）
包含信息如下：
- 文件存在与否
- 文件在外存中的位置、当前状态、其他属性信息
④ 进程表（process table）
操作系统为方便管理进程，维护进程表。
这 4种表 可以某种方式链接 / 交叉使用，内存、I/0、文件代表进程被管理，所以进程表中有这些资源 直接 / 间接 的引用。
2、进程控制结构
操作系统管理进程需要获得的信息：进程位置、进程属性（进程ID、进程状态）
① 进程位置
进程映像： 程序、数据、栈、属性 的 集合
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 用户程序 | 待执行的程序 |
| 用户数据 | 用户空间可修改部分（程序数据、用户栈区域、可修改的程序） |
| 栈 | 每个进程都有 一 / 多 个 (LIFO) 栈 用以保存参数、过程调用地址、系统调用地址 |
| 进程控制块 | 控制进程所需数据 |
② 进程属性
进程标识符（process identification）
为每个进程分配唯一的数字标识符，可以简单的标识为主进程表中的一个索引；否则必须有一个映射，方便定位相应的表。
处理器状态信息（processor statement information）
由处理器寄存器的内容组成，运行要给进程时，进程信息一定在寄存器中。中断进程时，必须保存该寄存器所有信息，以便进程恢复时可以恢复所有这些信息。
进程控制信息（process control information）
操作系统控制、协调各种活动线程的额外信息。
③ 进程控制块
进程控制块信息分为三类：
- 进程 标识 信息
- 进程 状态 信息
- 进程 控制 信息
处理器状态信息
进程控制块中的经典元素：
标识符、用户可见状态寄存器、控制和状态寄存器、栈指针、调度和状态信息、数据结构、进程间通信、进程特权、存储管理、资源所有权及使用情况。
四、进程控制
1、执行模式
- 用户模式（非特权模式）： 用户程序通常在该模式下运行
- 内核模式（特权模式、系统模式、控制模式）： 操作系统的内核，包含重要系统功能的部分（程序状态字控制、原始 I/0 指令、内存管理、进程管理、中断处理、记账监视）
2、进程创建
进程创建步骤：
- 为新进程分配唯一进程标识符。
- 为进程分配空间。
- 初始化进程控制块。
- 设置正确链接。
- 创建 / 扩充其他数据结构。
3、进程切换
进程切换可在任何时刻发生，操作系统区分两种系统中断：中断、陷阱。
进程执行的中断机制：
| 机制 | 原因 | 用途 |
|---|---|---|
| 中断 | 来自当前执行指令的外部 | 对异步外部事件的反应 |
| 陷阱 | 与当前执行指令相关 | 处理一个错误 / 异常条件 |
| 系统调用 | 显式请求 | 调用操作系统函数 |
普通中断（interrupt）：
- 时钟中断： 当前执行进程达最大允许执行时间 [时间片]，进程置为就绪态。
- I/O中断： 操作系统确认是否已发生 I/0 活动。并决定是否继续执行当前处于运行态的进程，还是让高优先级进程抢占该进程。
- 内存失效： 操作系统遇到引用不在内存的虚存地址，需将内存块从外存调入内存，调如内存 I/0 致使进程置于阻塞态，进程切换。
陷阱（trap）：
操作系统确认 错误 / 异常 是否致命：
- 致命： 进程置为退出态，切换进程。
- 不致命： 尝试恢复程序，切换进程 / 继续当前进程。
系统调用（supervisor call）：
如用户进程执行 I/0 请求指令，I/0 代码属于操作系统的一部分，此时用户进程转为阻塞态，进程切换。