操作系统概念 Chapter3

CS143A 读书笔记 OperatingSystemConcepts

进程概念

进程

进程是执行中的程序。不只是程序代码，除了代码段外进程还包含：

• 当前活动：通过PC的值和处理器寄存器内容表示。
• 堆栈段：包含临时数据，函数参数，返回地址，局部变量。
• 数据段：全局变量
• 堆：进程运行期间动态分配的内存。

注意：程序本身不是进程，程序只是被动实体，进程是活动实体。两个进程可以是同一程序相关，但是被当成两个独立的执行序列。

进程状态

进程执行时会改变状态，列表如下：

• New：进程正被创建。
• Running：进程正在被执行。
• Waiting：进程等待某个事件（Event）的发生。
• Ready：进程等待分配给处理器。
• Terminated：进程完成执行。
  

进程控制块（Process Control Block）

每个进程在操作系统中用PCB表示，内容如下：

• 进程状态：New，ready等。
• PC：表示进程要执行的下一个指令的地址。
• CPU寄存器：为能够继续执行，这些状态信息在中断时候要保存。
• CPU调度信息：priority
• 内存管理信息：base，range
• 记账信息
• I/O状态信息

线程

进程可以支持多线程。

进程调度Scheduling

进程调度选择一个可用的进程到CPU处理。

调度队列

进程进入系统时候会被加入队列中。

调度程序 Scheduler

进程选择是有相应的调度程序实现的。

进程在大容量存储的缓冲池里，长期调度程序long-term scheduler从该池中选择进程，装入内存准备执行。短期调度程序short-term scheduler从准备执行的进程中选择进程，分配给CPU。

短期调度频率比长期调度快。

长期调度程序需要仔细选择。因为大部分进程可分为：

I/O为主

基本时间都用来执行I/O，计算量小

CPU为主

基本时间都用来计算

因此，长期调度程序应该选择一个合理的兼并二者的组合进程。
如果缺少长期调度程序，所有的新进程都放在内存中，稳定性随着进程的增加会大幅下降。
另外引入的中期调度程序能将长久不用的进程从内存（CPU竞争）中移出（Swap Out）并再后来可以被换入。
作用：当内存内进程太多，效能变差后。移走一些进程以减少系统资源占用率。

上下文切换 Context Switch

进程上下文用进程的PCB表示。
实现方式：通过执行一个状态保存（state save）来保存CPU当前状态，之后执行一个状态恢复（State restore）重新开始运行。
发生上下文切换时，内核会自动将旧进程的状态保存在PCB中，然后装入新进程的上下文。
切换时间是额外开销，速度：

• 与硬件支持密切相关：寄存器多，CS只需要简单改变当前寄存器组的指针。如果进程数>寄存器集合数量，需要在寄存器与内存之间进行数据复制。
• 与操作系统复杂度相关：操作系统越复杂，上下文切换需要做的工作就越多。

进程操作 Operations on Processes

进程创建

进程执行过程中，可以通过创建进程系统调用（create-process system call）创建多个新进程。
创建进程为父进程，新进程为子进程。
进程需要一定的资源来完成任务：

• 子进程可能从操作系统直接获取资源；也可能从父进程获取资源。
• 父进程可能需要在子进程之间分配或共享资源。

好处：限制子进程只能使用父进程资源能防止创建过多进程导致系统超载。

除了物理和逻辑资源，初始化数据也由父进程传递给子进程。当进程创建新进程时，有两种执行时序可能：
1. 并发执行
2. 父等待子执行完毕继续
有两种地址空间可能：
1. 子进程是父进程的复制品（具有相同程序和数据）
2. 子进程为新程序

fork()系统调用

可创建新进程。新进程通过复制原进程地址空间，允许父子通信。对子进程fork()返回值为0，父进程为非0标识符。

进程终止

当进程完成执行最后的语句并使用exit()请求操作系统删除自身时，进程终止。此时，进程可以返回状态值到父进程，其使用过的资源会被操作系统释放。

一个程序可以使用适当的系统调用终止自己的子进程，所以父需要知道子的id，所以创建子进程时，子进程的id要传给父进程。

父进程终止子进程的原因：

• 子进程使用超过自身分配的资源（需要父进程有检查子进程状态的机制来判定此现象）
• 分配给子进程的任务不复需要
• 父进程终止

级联终止（cascading termination）

一个进程终止，它所有的子进程也随之终止。

进程通信

独立进程

一个进程不能影响其他进程或被其他进程所影响。

协作进程

一个进程能影响其他进程或被其他进程所影响。

我们需要允许进程内协作的理由有：

1. 信息共享（information sharing）
2. 提高速度（computation speedup）
3. 模块化（modularity）
4. 方便

进程间通信机制 IPC

主要两种方法：

• 共享内存（share）
• 消息传递（message passing）

共享内存

优点：快。因为消息传递需要系统调用实现，需要内核介入从而耗费时间。

原理：两个进程共用部分内存，在共享区域内读写交换信息。数据的形式或位置取决于这些进程，需要保证不向同一区域同时写数据。

生产者-消费者问题

生产者进程产生信息给消费者进程消费。为了允许生产者进程和消费者进程能并发执行，需要一个缓冲在二者共享区域内，消费者的消费和生产者的生产同步进行。
无限缓冲：消费者可能不得不等待新的项，生产者生产无限制
有限缓冲：必须同步，都受限制。共享缓冲的逻辑指针in和out相等即缓存为空，(in+1)%buffer_size==out时缓存满。缓冲最大项数为Buffer_Size-1.

消息传递

优点：不需要避免冲突。安全。适合少量数据。
原理：消息传递工具提供两种操作：发和收。

• 直接/间接通信：直接通信：以pid通信，缺点是限制了进程定义的模块化，名称改变即失效。间接通信：为进程设立邮箱。
• 同步/异步通信：阻塞/非阻塞。当发送接受都为阻塞，收发者之间生成一个集合点（rendezvous）。使用阻塞时无需考虑生产消费问题，因为只有被接受才会生产，在接受时候只有一个可用。
• 自动/显式缓冲explicit buffering：队列实现有三种方法：
  
  • 零容量（自动缓冲）：队列最大长度为0.线路中无等待。需要必须阻塞发送，直到接受者收到消息。
  • 有限容量：队列长度有限。如果线路满，必须阻塞发送者直到队列中空间可用为止。
  • 无限容量：无论多少消息都可以等待，不阻塞发送者。