8-进程的状态，控制与通信

Ywrby

发布于 2022-10-27 13:08:15

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进程的状态和转换

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时需要等待CPU服务，显然进程的状态是在不断变化的。为了方便对各个进程的管理，操作系统将进程合理的划分为几种状态

进程的三种基本状态

运行态 Running

占有CPU，并在CPU上运行。

单核处理器下，同一时刻最多只有一个进程处于运行态，双核环境下可以有两个进程处于运行态

就绪态 Ready

已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行

注意这里所说的具备运行条件是指进程已经拥有了除CPU以外的所有需要的资源，包括所需要的设备的控制权限，缺少的只有CPU的控制权

阻塞态 Waiting/Blocked

又称等待态，因等待某一事件而暂时不能运行

例如，等待操作系统分配打印机的控制权限，读取磁盘操作的请求等。CPU是计算机中最昂贵的不见，为了提高CPU利用率，需要先将其他进程所需资源分配到位，才能得到CPU服务

进程的另外两种状态

创建态 New

也称新建态，进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB的阶段

终止态 Terminated

进程正在从系统中撤销，操作系统回收进程拥有的资源，撤销PCB

可能是由于进程运行结束，也可能是由于bug导致进程无法继续执行（例如数组越界或数学错误）

进程状态的转换

进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新线程，撤销已有线程，实现线程状态转换等功能

简言之，进程控制就是要实现进程各个状态之间的转换

如何实现进程控制

原语

原语的特点是执行期间不允许中断，只能一次全部执行完成。这种不可中断的操作也称原子操作。

原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。代码执行前执行关中断指令，所有代码执行结束后执行开中断指令，在此期间，外部的中断信号会被忽略，待开中断指令执行后，再开始处理传来的外部中断信号，由此保证了原语的执行特点

显而易见，关中断/开中断指令的权限十分大，二者都是只允许在核心态下执行的特权指令

原语可能进行的三类事情

更新PCB中的信息（例如修改进程状态标志，将运行环境保存到PCB，从PCB恢复运行环境）
- 所有进程控制原语一定会修改进程状态标志（因为所有进程控制原语一定修改进程状态）
- 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境（为后续该进程重新进入运行态，恢复运行环境准备）
- 某进程开始运行前必然要恢复运行环境（利用之前保存在PCB中的环境）
将PCB插入合适的队列（进程组织）
分配/回收资源

进程的创建

无->创建态->就绪态

创建原语

申请空白PCB
为新进程分配所需资源
初始化PCB
将PCB插入就绪队列

引起进程创建的事件

用户登录：分时系统中，用户登陆成功，系统为其建立一个新进程
作业调度：多道批处理系统中，有新作业放入内存，会为其创建新进程
提供服务：用户向操作系统提出某些请求，会新建进程处理该请求
应用请求：用户主动请求创建一个子进程

进程的终止

就绪态/阻塞态/运行态->终止态->无

撤销原语

从PCB集合中找到所有终止进程的PCB
若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
终止其所有子进程
将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
删除PCB

引起进程终止的事件

正常结束
异常结束（例如进程执行中出现bug）
外界干预（例如进程执行中手动通过任务管理器直接关闭进程）

进程的阻塞和唤醒

阻塞原语运行态->阻塞态

找到要阻塞的进程对应的PCB
保护进程运行环境，将PCB状态信息设置为阻塞态，暂停进程运行
将PCB插入相应事件的等待队列

引起阻塞的事件

需要等待分配某种资源
需要等待相互合作的其他进程完成工作

唤醒原语阻塞态->就绪态

在等待事件队列中找到PCB
将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
将PCB插入就绪队列，等待被调度

引起进程唤醒的事件

等待的事件发生

阻塞原语和唤醒原语必须成对出现

进程的切换

运行态->阻塞态/就绪态

就绪态->运行态

切换原语

将运行环境信息保存在PCB中
PCB移入相应队列
选择另一个进程执行，并更新其PCB
根据PCB恢复新进程所需的运行环境

引起进程切换的事件

当前进程的时间片结束
有更高优先级的进程到达
当前进程主动阻塞
当前进程终止

进程通信

进程通信指进程之间的信息交换

进程是系统分配资源的单位（包括内存地址空间），因此各个进程拥有的内存地址空间相互独立，为了保证系统安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

但是有时进程之间的信息交换又是必须实现的，为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了多种方法进行进程间的通信

共享存储
消息传递
管道通信

共享存储

两个进程都不能直接访问对方的地址空间，所以两个进程在内存中开辟出一块共享空间用于通信。

两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，即A在访问共享空间时，B不可以访问（互斥访问通过操作系统提供的工具实现，即同步互斥工具，如P,V操作）

共享存储又分为以下两种

基于数据结构的共享

共享空间里只能存放提前规定好的某种数据结构（例如长度为10的数组），这种方式共享的速度慢，对共享数据的限制多，是一种低级通信的方式

基于存储区的共享

在内存中画出一块共享存储区。数据的形式，存放位置由进程控制，而不再是操作系统，相较于前一种速度更快，是一种高速通信方式

管道通信

管道是指用于连续读写进程的一个共享文件，又名pipe文件，其实就是在内存中开辟一个固定大小的缓冲区

注意

管道只能采用半双工通信，即某一时间段内只能实现单向的传输，如果要实现双向同时通信，则需要设置两根管道
各进程仍然需要互斥的访问管道
写进程将数据以字符流的形式写入管道，管道写满后，写进程的write系统调用将被阻塞，等待读进程读取所有数据，当读进程读取所有数据后，管道变空，此时读进程的read系统调用将被阻塞
如果管道没写满，就不允许读，如果管道没读空，就不允许写
数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，没有备份，这就意味着读进程最多只能有一个，防止读错数据的情况发生