还不了解进程吗?就这一篇!
前言
你的进程,为啥挂了?进程挂了,这个问题大家并不陌生。学完这篇,你会对进程有一定了解。后面碰到进程挂的情况,你很快能找到对应解决思路。
进程在操作系统中,是一个很重要的概念。你熟悉操作系统,能避免一些坑,写出高质量的代码。windows 界面设置真炫酷,不多说。下面用动画加文字的方式,给大家讲述。
为什么需要进程
通常程序不能并发执行,因为程序并发执行的结果,是不可再现的。为了使程序,可以并发执行,且能对其加以描述和控制,引入了进程的概念。
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上面把小人比作程序,操作系统中一次只能跑一个程序,除非引入进程。
进程的特征和定义
进程是程序的一次执行,是系统进行资源分配调度的独立单位。结构特征:为了使程序能够独立运行,应配置一个进程控制块 PCB。进程是由程序段,相关的数据段和 PCB(进程控制块)三部分构成的。动态性:进程是程序的一次执行,由创建而产生,由调度而执行,由撤销而消亡,进程存在一定的生命周期。
并发性:多个进程实体,同存在于内存中,且能在一段时间内同时运行。
独立性:进程实体,是一个能独立运行,独立分配资源,独立接收调度的基本单位。异步性:进程按自己独立的不可预知的速度推进。下面动画,把小人比作进程,展示的进程的创建,销毁,动态性,并发性,独立性,异步性。
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进程的状态及转换
创建:保证进程的调度,必须在创建工作完成以后,再进行。确保,对进程控制块 PCB 操作的完整性。就绪:进程已分配到除 CPU 外的所有必要资源。
执行:进程已获得 CPU,其指令集正在执行。
阻塞/挂起正在执行的进程由于发生某事件导致暂时无法继续执行。
终止:等待其他进程收集完信息后,将删除该进程,清空 PCB 并返还给系统。下面是进程状态图:
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PCB 进程控制块
独立运行基本单位的标志:创建进程时创建 PCB,进程结束时回 PCB,进程随之消亡。系统是通过 PCB,感知进程的存在。PCB 已成为,进程存在于系统中的唯一标志。
实现间断性运行方式:进程暂停运行时,必须保留,运行时的 CPU 等相关信息。进程被再次运行时,需恢复 CPU 等相关信息。
提供进程管理需要的信息:当进程开始运行时,根据该进程 PCB 中,记录的程序和数据,在内存或外存中起始地址指针,找到相应的程序和数据。
提供进程调度需要的信息:只有处于就绪状态的进程,才能被调度。而进程的状态就记录在 PCB 中、以及优先级、等待时间、已执行时间等其他信息。
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实现与其他进程的同步与通信:进程同步机制,用于实现多进程协调运行。在 PCB 中,具有实现进程通信的区域或通信队列指针等。
PCB 进程控制块中的信息:PCB 中的信息大致上可分为 4 类,分别是:进程标识符、CPU 状态、调度信息、控制信息。
进程标识符:分外部标识符和内部标识符,外部标识符即进程名称,可由父进程指定,通常包括字符和数字的组成。内部标识符,由操作系统提供的,具有唯一性的进程 ID。CPU 状态:主要由各种寄存器中内容组成,如通用寄存器、指令计数器(下一条指令的地址)、程序状态(状态信息、条件码、执行方式、屏蔽中断等标志)和栈指针(指向用于存放过程和系统调用参数及调用地址的系统栈的栈顶)构成。
调度信息:包含进程状态、进程优先级、其他信息、事件(阻塞原因)。进程状态,是进程调度和对换时的依据,优先级高的进程,应优先获得 CPU 执行。控制进程所必须的信息,包括程序和数据的存储地址,以便调度该进程执行时,能从 PCB 中找到其程序和数据,进程同步和通信机制,如消息队列、信号量等。
进程的创建和终止过程
创建进程过程:向操作系统申请空白 PCB 及进程 ID、分配运行所需的资源、初始化 PCB、等待插入进程调度就绪队列。相关资源或从操作系统或从父进程获得,资源需求需提前告知,操作系统或父进程好为其分配资源。PCB 至少有 2 种信息需要初始化 1.标识信息,即将本进程 ID 和父进程 ID 填入 PCB 控制块中 2.状态信息,指令计数器指向程序的入口地址、栈指针指向栈顶控制信息。
进程的终止分为:读取进程状态、终止进程、终止子孙进程、释放资源、移出 PCB 队列。操作系统通过进程 ID 从 PCB 集合中检索出该进程的 PCB,从中读出该进程的状态。如果该进程状态为执行态,则终止进程的执行,并重置调度标志位真。如果该进程拥有子孙进程,则一并将所有子孙进程终止,防止子孙进程成为僵尸进程等不可控的进程。接着释放资源,将资源归还给操作系统或父进程。最后就是移出 PCB 队列了,等待其他进程搜集信息。
进程阻塞和唤醒的事件
1.请求系统服务而得不到满足时,如问系统请求打印。
进程的挂起和激活 1.进程的挂起过程,由进程自己,或其父进程 suspend 原语完成。将该进程 PCB 移到指定区域,注意状态的改变,有可能要重新调度。
2.进程的激活过程,激活 active 原语激活进程。激活原语将进程从外存调入内存,检查该进程的现行状态并进行相应操作。
进程同步
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动画展示,临界区的资源,在某个时刻,只能有一个进程在使用。临界资源一旦有对资源的共享,就必然涉及竞争限制。临界资源用来表示一种,公共资源或者说是共享数据,可以被多个线程使用。但是每一次,只能有一个线程使用它。一旦临界资源被占用,其他线程,要想使用这个资源,就必须等待。
进程同步的主要任务是,对多个相关进程,在执行次序上进行协调,以使并发执行的诸进程之间,能有效地共享资源和相互合作,从而使程序的执行,具有可再现性。
临界区有了临界资源的概念,就很容易理解临界区的概念。在程序中,所有的操作,都是通过代码执行的,访问临界资源的那段代码就是临界区
处理竞争或者合作依赖导致的制约空闲让进:对于临界资源,如果空闲没有被使用,谁来了之后都可以使用
忙则等待:如果临界资源正在被使用,那么其他后来者就需要进行等待。
有限等待:要求访问临界资源的进程,应保证有限时间内,能进入自己的临界区,自己不能傻傻的等
让权等待:如果无法进入自己的临界区时,应立即释放处理机,而不能占着 CPU 死等,你死等就算了,别人却也不能用了。
锁
锁
锁就是对资源施加控制,锁指的是一种控制权。当进入临界区时,我们称之为获得锁,获得锁之后就可以访问临界资源。其他线程想要进入临界区,也需要先获得锁。当前线程结束后,将会释放锁,别的线程就可以获取这个资源的锁。
死锁
锁表示一种控制权,对临界资源的访问权限。
下面动画展示,两个小人,都要使用资源 1 和资源 2,才能达到对面。左边小人战友资源 1,右边小人占有资源 2。他们占有当前资源,再去获取对方的资源时,就会产生死锁的情况。
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如果临界资源不止一个,就可能出现:需要先后访问两种临界资源 A 和 B,thread1 获得了 A 线程的锁之后,等待获得 B 的锁,但是 thread2 获得了资源 B 的锁,在等待 A 资源的锁,这就出现了互相等待的情况。
解决方案
AND 型信号量机制就是用于解决这种多共享资源下的同步问题的。将进程在整个运行过程中,需要的所有资源,一次性全部地分配给进程,待进程使用完后再一起释放。
只要尚有一个资源未能分配给进程,其它所有可能为之分配的资源,也不分配给它。也就是对,若干个临界资源的分配,采取原子操作方式:要么把它所请求的资源全部分配到进程,要么一个也不分配。
进程间通信
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如果两个进程,想要知道对方在干嘛,或者进行协调运行,就需要进程间通信。下面介绍一下常见的进程间通信方式。
无名管道:管道是一种半双工的通信方式。数据只能单向流动,而且只能在,具有亲缘关系的进程间使用。进程间的亲缘关系,通常指父子进程关系。
有名管道:有名管道也是,半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。消息队列:消息队列是有消息的链表,存放在内核中,并由消息队列标识符标识。它克服了信号传递信息少,管道只能承载无格式字符流以及缓冲区大小受限等特点。
信号量:是一个计数器,可以用来控制多个进程对共享内存的访问。它作为一种锁机制,防止某个进程,正在访问共享资源的时候,其他进程也访问该资源,造成资源抢占。
信号:一种较复杂的通信方式,用于通知和接收进程某个事件的发生。
共享内存:是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问。
套接字:是一种进程间通信机制,与其他通信机制不同的是,它可用于 不同机器间的进程通信。
参考资料
![](https://static001.geekbang.org/infoq/e5/e58618db5850dfe948cf1e3189598831.jpeg?x-oss-process=image/resize,p_80/auto-orient,1)
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原文:进程,就这一篇!
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