《计算机操作系统》（第4版）第2章进程的描述与控制复习笔记

第2章进程的描述与控制

一、前趋图和程序执行

1. 前趋图

(1)定义

前趋图是指一个有向无循环图，可记为DAG, 它用于描述进程之间执行的先后顺序。

(2)图形表示

前趋图如图2-1所示。

图2-1 前趋图

2. 程序的执行

(1)程序顺序执行时的特征

①顺序性。

②封闭性。

③ 可再现性。

(2)程序并发执行时的特征

①间断性。

②失去封闭性。

③不可再现性。

二、进程的描述

1. 进程的定义和特征

(1)进程的定义

对于进程的定义，从不同的角度可以有不同的定义，其中较典型的定义有：

①进程是程序的一次执行。

②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。

③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，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

(2)进程的特征 ①动态性

动态性是进程的最基本的特征。

②并发性。

③独立性。

④异步性。

(3)进程实体

通常，进程实体由程序控制块 (PCB) 、程序段、数据段三部分组成。

2. 进程的状态及转换

(1)进程有三种基本状态：就绪状态、执行状态、阻塞(等待)状态。图2-2示出了基本状态的转换图。

图2-2 进程的三种基本状态及转换

(2)引入进程的创建状态和终止状态后，图2-3示出了进程的五种状态及转换关系图。

图2-3 进程的五种状态及转换

3. 挂起操作和进程状态的转换

(1)当挂起操作作用于某个进程时，该进程将被挂起，意味着此时该进程处于静止状态。如果进程正在执行，它将暂停执行。若原本处于就绪状态，则该进程此时暂不接受调度。与挂起操作对应的操作是激活操作。

(2)引入挂起原语操作后三个进程状态的转换

①活动就绪→静止就绪。

②活动阻塞→静止阻塞。

③静止就绪→活动就绪。

④静止阻塞→活动阻塞。

(3)引入挂起操作后五个进程状态的转换如图2-4所示。

图2-4 具有创建、终止和挂起状态的进程状态图

4. 进程控制块 (PCB)

(1)概念

PCB是一记录型数据结构，它作为进程实体的一部分，记录了操作系统所需的、用于描述进程的当前情况以及管理进程运行的全部信息。

(2)进程控制块中的信息

处理机状态	进程调度信息	进程控制信息
通用寄存器	进程状态	程序和数据的地址
指令计数器	进程优先级	进程同步和通信机制
程序状态字	进程调度所需的其它信息	资源清单
用户栈指针	事件	链接指针

①线性方式。

②链接方式。

③索引方式。

三、进程控制

进程控制是进程管理中最基本的功能，主要包括创建新进程、终止已完成的进程、将因发生异常情况而无法继续运行的进程置于阻塞状态、负责进程运行中的状态转换等功能。

四、进程同步

1. 进程同步的基本概念

(1)进程同步机制的主要任务

对多个相关进程在执行次序上进行协调，使并发执行的诸进程之间能按照一定的规则(或时序)共享系统资源，并能很好地相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

(2)临界资源

一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。

(3)临界区

将在每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

(4)同步机制应遵循的规则

①空闲让进。

②忙则等待。

③有限等待。

④让权等待。

2. 硬件同步机制

(1)关中断。

(2)利用Test-and-Set 指令实现互斥。

(3)利用Swap 指令实现进程互斥。

3. 信号量机制

(1)整型信号量 ①定义

把整型信号量定义为一个用于表示资源数目的整型量S。

②描述

通过两个标准的原子操作wait(S) 和 signal(S) 来访问S, 两个操作一直被分别称为P 、V 操作。wait 和 signal 操作可描述如下：

wait(S)
{
while(S<=0); S--;
/*do no-op*/
signal(S) {
}

(2)记录型信号量

①定义

记录型信号量机制采用了记录型的数据结构，是一种不存在“忙等”现象的进程同步机制。

②描述

typedef struct
{
    int value;    //代表资源数目的整型变量
    struct process_control_block *list;//一个链接所有等待进程的进程链表指针
}semaphore;

//wait(S)和signal(S)操作可描述如下：

wait(semaphore*S)
{
    S->value--;
    if(S->value<0)
        block(S->list);
}
signal(semaphore *S) 
{
    S->value++;
    if(S->value<=0)
        wakeup(S->list);
}

4.经典同步问题-生产者-消费者问题

问题描述：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、大小为n 个单元的缓冲区。只有当缓冲区没满时，生产者才可以把消息放入缓冲区，否则必须等待；只有当缓冲区不空时，消费者才可以从中取出消息，否则必须等待。由于缓冲区是临界资源，只允许一个生产者放入消息或者一个消费者从中取出消息，不允许同时访问缓冲区。

信号量设置：定义信号量mutex为互斥信号量，初值为1,用于表示互斥访问缓冲区；信号量empty 用于表示当前缓冲区中可用空间大小，初值为 n; 信号量full 用于表示当前缓冲区中已用空间大小，初值为0。

程序描述：

semaphore mutex=1;
semaphore empty=n;
semaphore full=0;
producer()
{       //生产者进程
    while(true)
    {
    //生产一个消息
    p(empty);1/       申请缓冲区中的一个空单元
    p(mutex);//        申请访问缓冲区 //将消息放入缓冲区
    v(mutex);          // 释放互斥信号量
    v(full);       /l 缓冲区中满单元数加一
    }
}
consumer()
{      //消费者进程
    while(true)
    {
        p(fu);          //申请从缓冲区中的满单元取出消息
        p(mutex);          //申请访问缓冲区
        //将消息取出缓冲区
        v(mutex);          // 释放互斥信号量
        v(empty);       1/缓冲区中空单元数加一
    }
}

5. 管程机制

(1)定义

一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

(2)组成

①管程的名称；

②局部于管程的共享数据结构说明；

③对该数据结构进行操作的一组过程；

④对局部于管程的共享数据设置初始值的语句。