2 进程

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2.1 进程的定义

并发：同时出发，交替执行（区分并行）
先保存执行现场，后切换执行现场
进程的定义
  • 一个正在执行的程序（Program）
  • 一个正在计算机中运行的程序实例（Instance）
  • 能分配给处理器并由处理器执行的一个实体（Entity）
  • 由一个顺序执行的代码段、一个当前状态和一组相关系统资源所刻画的活动单元（Unit）
进程的5个基本特征
  1. 动态性：动态特性表现在它因创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，最后因完成或撤销而消亡（进程生命周期）
  1. 并发性 ：引入进程的目的就是为了使多个程序并发执行，以提高资源利用率（主要是CPU）
  1. 独立性：进程是一个程序运行的基本单位，也是系统进行资源分配和调度的基本单位
  1. 异步性：进程以各自独立的、不可预知的速度向前推进。
  1. 交互性：进程在运行过程中，可能会与其它进程发生直接或间接的相互作用

2.1 进程的状态

  1. 就绪状态：在某时刻，进程已获得除处理机以外的所有资源，一旦分到了处理机就可以立即执行
  1. 运行状态：进程已经获得必要资源，并占有处理机运行
  1. 阻塞状态：正在执行的进程，由于发生某事件而暂时无法执行下去
进程三状态变迁图
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阻塞态：等待某个资源可用（不包括CPU）或等待I/O完成，即使CPU空闲，该进程也不能运行。
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进程五状态变迁图
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  1. 新建状态：至少建立PCB，但进程相关的其他内容可能未调入主存（例如：Linux的写时复制 Copy on Write 技术）
  1. 退出状态：进程已经终止，但资源等待父进程或系统回收
进程创建的原因：新的批处理作业、交互登录、为提供服务而由操作系统创建、由现有进程派生
进程终止的原因：正常完成、超过时限、无可用内存、超出范围、保护错误、算术错误、时间超出、I/O失败、无效指令、特权指令、数据误用、操作员或操作系统干涉、父进程终止、父进程请求
进程队列：为了管理和调度进程，操作系统将具有相同属性或特征的进程保存到队列数据结构中，通常以链表队列形式实现，元素是PCB
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进程七状态变迁图
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挂起状态：引入主存↔外存的交换机制
挂起进程的特点：
  • 该进程不能立即执行。
  • 该进程可能在也可能不在等待一个事件。若等待一个事件，那么阻塞条件不依赖挂起条件，阻塞事件的发生不会使进程立即执行。
  • 为阻止进程执行，可以通过代理使其置于挂起状态，代理可以是进程自己，也可以是父进程或操作系统。
  • 除了代理显示地命令系统进行状态转换，否则该进程无法从这一状态转移。
进程挂起的原因：
  • 交换：操作系统需要释放足够的内存空间
  • 其它OS原因：进程有问题或工具进程
  • 交互式用户请求
  • 定时：周期性执行
  • 父进程的请求：编程的需要

2.3 进程的描述

操作系统为单个进程建立“进程映像”：
  • 一段可执行的程序（代码）
  • 程序所需的相关数据（变量、 栈、堆、缓冲区等）
  • 记录程序执行的上下文环境或运行时信息
为了管理进程和资源，操作系统构造并维护其管理和维护的每个实体的信息表：内存表、I/O表、文件表、进程表
进程控制块PCB（Process Control Block）是一个线性的数据结构，用来描述和记录进程的动态变化信息，是进程的灵魂
系统创建一个进程，就是由系统为某个程序设置一个PCB；进程执行完成时，由系统收回其PCB，该进程便消亡了。
PCB是进程存在的唯一标志，它记录了程序执行的上下文环境，通过PCB可以访问到进程的所有信息
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课堂练习

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C “可能”
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BDDCA
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A
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B
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D
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A

2.4 进程的控制

执行模式

执行模式：特权模式（系统模式、内核模式、控制模式）、非特权模式（用户模式）
在特权模式下，软件将完全控制处理器，及其所有指令、寄存器和内存，保护操作系统或操作系统表（如PCB）不被用户程序干扰
当调用一个操作系统的服务或中断来触发系统例程的执行时，执行模式将被置为内核模式。
当从系统服务返回到用户进程时，执行模式将被置为用户模式

进程创建

进程创建：创建原语，为被创建进程形成一个PCB，并填入相应的初始值
终端用户登录系统、作业调度、系统提供服务、用户程序的应用请求
  1. 为新进程分配一个唯一的进程标识符
  1. 为进程分配空间
  1. 再根据父进程所提供的参数将子进程的PCB初始化
  1. 将此PCB插入就绪队列（或就绪挂起/新建队列）
  1. 创建或扩充其它数据结构

进程切换

进程切换：可在操作系统从当前运行的进程中获得控制权的任何时刻发生（中断、陷阱、系统调用）
  1. 保存处理器上下文
  1. 更新当前处于运行态的进程的进程控制块，修改状态，记录退出运行态的原因，更新记账信息等
  1. 把进程的PCB移动到相应的队列
  1. 选择另一个进程（调度问题）
  1. 更新内存管理数据结构
  1. 恢复选中进程的运行现场

进程撤销

进程撤销/终止：一个进程在完成其任务后，应予以撤销，以便及时释放其所占用的各类资源，可以指定撤销某个进程或某进程及其子孙进程
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  1. 先从PCB集合中找到被撤销进程的PCB
  1. 若被撤销进程正处于运行状态，则应立即停止该进程的执行，设置调度标志，以便进程撤销后将处理机分给其他进程
  1. 对后一种撤销策略，若被撤销进程有子孙进程，还应将该进程的子孙进程予以撤销
  1. 对于被撤销进程所占有的资源，或者归还给父进程，或者归还给系统
  1. 最后撤销它的PCB

进程的阻塞和唤醒

进程的阻塞和唤醒：阻塞原语（执行态→阻塞态）、唤醒原语（阻塞态→就绪态）
  1. 由于该进程正处于执行状态，故应先中断处理机和保存该进程的CPU现场
  1. 然后将该进程插入到等待该事件的队列中
  1. 再从就绪进程队列中选择一个进程投入运行
一个进程由运行状态转变为阻塞状态，是该进程自己调用阻塞原语去完成的（主动）
而进程由阻塞状态到就绪状态，是另一个发现者进程（或中断服务程序）或OS调用唤醒原语实现的（被动）

2.5 操作系统的执行

  1. 无进程内核
  1. 操作系统例程在用户进程内运行
  1. 基于进程的操作系统：操作系统例程作为分离的进程执行

期末真题

2024秋

一、关于进程，回答下列问题。（8分）
1）若进程状态包含创建态、就绪态、阻塞态、运行态、终止态五种状态，列出一个进程可以从运行态切换到哪些状态，并分别给出一种可能的原因。可以画图说明。（2分）
2）什么是进程切换？结合课内实验，给出主要过程。（3分）
3）结合Linux系统实验，说明内核初始化完成后，如何跳到用户模式下运行。（3分）

2020春

一、关于进程，回答下列问题（8分）
1）操作系统进程控制块通常保存哪些信息？进程控制块有什么作用？（3分）
2）简述操作系统在进程切换时所需要做的工作？（3分）
3）模式切换与进程切换的区别（2分）

2014

一．进程状态
1）解释三种进程状态的概念：运行、就绪、阻塞。
2）三种能引发先从运行到阻塞，再从阻塞到就绪的行为。
3）如果让你定义一种状态，你会定义一种什么状态（除上述三种），为什么。
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