操作系統(tǒng)原理

　　進(jìn)程概念是現(xiàn)在操作系統(tǒng)的基本概念，已經(jīng)成為計算機(jī)科學(xué)中的一大成就。下面是小編分享的相關(guān)內(nèi)容，歡迎閱讀參考。

　　什么是進(jìn)程?

　　進(jìn)程的出現(xiàn)，是為了是操作系統(tǒng)可以以一種有序的方式管理應(yīng)用的執(zhí)行，以達(dá)到以下目的：

　　資源對多個應(yīng)用程序是可用的;

　　物理處理器在多個應(yīng)用程序之間切換以保證所有程序都在執(zhí)行中;

　　處理器和I/O設(shè)備能得到充分利用;

　　所有現(xiàn)在操作系統(tǒng)采用的方法都是依據(jù)一個或者多個進(jìn)程存在的應(yīng)用程序執(zhí)行的一種模型。 到底什么是進(jìn)程呢?

　　進(jìn)程是一組元素組成的實體，它可以是一個正在執(zhí)行中的程序，也可以是一個能分配給處理器并由處理器執(zhí)行的實體。

　　進(jìn)程的兩個基本元素是：程序代碼(program code)和代碼相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集(set of data)。

　　在進(jìn)程執(zhí)行時，任意給定一個時間，進(jìn)程都可以唯一地表征為以下元素：

　　標(biāo)識符：進(jìn)程的唯一標(biāo)識符，用來區(qū)別其他進(jìn)程

　　狀態(tài)：進(jìn)程在不同的生命周期有著不同的狀態(tài)

　　優(yōu)先級：相對于其他進(jìn)程的優(yōu)先級

　　程序計數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址

　　內(nèi)存指針：包含程序代碼和進(jìn)程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進(jìn)程共享內(nèi)存塊的指針

　　I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求、分配給進(jìn)程的I/O設(shè)備和被進(jìn)程使用的文件列表等

　　記賬信息：可能包括處理器時間總和、使用的時鐘數(shù)總和、時間限制、記賬號等

　　上述的列表信息被存放在一個稱為進(jìn)程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，該控制塊由操作系統(tǒng)創(chuàng)建 和管理。

　　進(jìn)程狀態(tài)

　　在任何時刻，進(jìn)程可以處于以下兩種狀態(tài)之一：運行態(tài)和未運行態(tài)，這是最簡單的兩狀態(tài)模型。在這個模型中，會有一個調(diào)度器(dispatcher)，使處理器從一個進(jìn)程切換到另外一個進(jìn)程。

　　'內(nèi)存狀態(tài)轉(zhuǎn)換'

　　由于存在著一些處于非運行狀態(tài)但已經(jīng)就緒等待執(zhí)行的進(jìn)程，而同時存在另外一些處于堵塞狀態(tài)等待I/O操作結(jié)束的進(jìn)程。

　　因此，解決這一問題比較自然的方法是使用五狀態(tài)模型： 運行態(tài)、就緒態(tài)、堵塞/等待態(tài)、新建態(tài)和退出態(tài)。

　　'五狀態(tài)模型'

　　>>(1)被掛起的進(jìn)程

　　上述的基本狀態(tài)提供了一種為進(jìn)程建立系統(tǒng)模型的方法，并指導(dǎo)系統(tǒng)的實現(xiàn)。但是，往這個模型中添加其他狀態(tài)也是合理的。

　　由于處理器的運行速度遠(yuǎn)大于I/O，以至于內(nèi)存中所有的進(jìn)程都在等待I/O的情況也是很常見的。因此，即使是多道程序設(shè)計，大多數(shù)處理器仍然可能處于空閑狀態(tài)。

　　一種解決方案是增大內(nèi)存，使得內(nèi)存中可以存在更多的進(jìn)程。然而這種方案顯然是治標(biāo)不治本的。

　　另外一種解決方案是交換(swapping)。當(dāng)內(nèi)存中沒有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程時，操作系統(tǒng)就把被阻塞的進(jìn)程換出到磁盤中的掛起隊列(suspend queue)。操作系統(tǒng)在此之后取出掛起隊列中的另一個進(jìn)程，或者接受一個新進(jìn)程，將其加載到內(nèi)存中運行。這時，在進(jìn)程狀態(tài)模型中添加了另外一個狀態(tài)：掛起態(tài)。

　　當(dāng)操作系統(tǒng)從掛起隊列中取出一個依然阻塞的進(jìn)程是毫無意義的，因為它仍然沒有準(zhǔn)備好執(zhí)行。所以為了區(qū)分被掛起的進(jìn)程哪些是可以取出的，需要設(shè)計另外一種掛起模型：

　　為了區(qū)分，需要四個狀態(tài)：

　　就緒態(tài)：進(jìn)程在內(nèi)存中并可以執(zhí)行

　　阻塞態(tài)：進(jìn)程在進(jìn)程中并等待一個事件

　　阻塞/掛起態(tài)：進(jìn)程在外存中并等待一個事件

　　就緒/掛起態(tài)：進(jìn)程在外存中，但是只要被載入內(nèi)存就可以執(zhí)行

　　總結(jié)一下掛起的進(jìn)程的概念：

　　進(jìn)程不能被立即執(zhí)行。

　　進(jìn)程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的 的發(fā)生不會使進(jìn)程立即執(zhí)行。

　　為組織進(jìn)程的執(zhí)行，可以通過代理把這個進(jìn)程置于掛起狀態(tài)，代理可以是進(jìn)程自己，也 可以是父進(jìn)程或者操作系統(tǒng)。

　　除非代理顯示的命令操作系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則進(jìn)程無法從這個狀態(tài)中轉(zhuǎn)移。

　　除了因為提供更多的內(nèi)存空間，進(jìn)程還會因為什么原因被掛起呢?

　　在所有這些導(dǎo)致進(jìn)程掛起的情況中，掛起進(jìn)程的活動都是由最初請求掛起的代理請求的。

　　進(jìn)程描述

　　操作系統(tǒng)控制計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的事件，它為處理器執(zhí)行進(jìn)程而進(jìn)行調(diào)度「schedule」和分派 「dispatch」，給進(jìn)程分配資源，并響應(yīng)用戶程序的基本服務(wù)請求。因此，操作系統(tǒng)可以被視為管理系統(tǒng)資源的實體。

　　操作系統(tǒng)為了控制進(jìn)程和管理資源需要哪些信息呢?

　　>>(1)操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

　　為了管理進(jìn)程和資源，操作系統(tǒng)構(gòu)造并維護(hù)它所管理的每個實體的信息表。

　　操作系統(tǒng)維護(hù)四種不同類型的表：內(nèi)存、I/O、文件和進(jìn)程。

　　內(nèi)存表「memory tables」用于跟蹤內(nèi)存和外存。內(nèi)存表必須包括一下信息：

　　分配給進(jìn)程的內(nèi)存

　　分配給進(jìn)程的外存

　　內(nèi)存塊或者虛擬內(nèi)存塊的保護(hù)屬性

　　管理虛擬內(nèi)存所需要的任何信息

　　I/O表「I/O tables」用于管理計算機(jī)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備和通道。在任何給定的時刻，一個I/O 設(shè)備或者是可用的，或者是已分配給某個特定的進(jìn)程。如果正在進(jìn)行I/O操作，則操作系統(tǒng)需 要知道I/O操作的狀態(tài)和作為I/O傳送的源與目標(biāo)的內(nèi)存單元。

　　文件表「file tables」用于提供關(guān)于文件是否存在、文件在外存中的位置、當(dāng)前狀態(tài)和屬性 的信息。

　　進(jìn)程表「process tables」為了管理和操作進(jìn)程所必須使用的表。

　　>>(2)進(jìn)程控制結(jié)構(gòu)

　　操作系統(tǒng)在管理和控制進(jìn)程時，首先必須知道進(jìn)程的位置，然后，它必須知道在管理時所必需的進(jìn)程的屬性(如進(jìn)程ID、進(jìn)程狀態(tài))。

　　進(jìn)程位置

　　想一個最基本的問題：進(jìn)程的物理表示是什么?

　　回想之前關(guān)于進(jìn)程的定義，進(jìn)程至少包括一個或者一組被執(zhí)行的程序，與這些程序相關(guān)聯(lián)的 局部變量、全局變量和任何已定義常量的數(shù)據(jù)單元。因此，一個進(jìn)程至少包括足夠的內(nèi)存空 間，以保存該進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù);此外，程序的執(zhí)行通常設(shè)計用于跟蹤過程調(diào)用和過程間參 數(shù)傳遞的棧。最后，與每個進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的還有操作系統(tǒng)用于控制進(jìn)程的許多屬性，也就是進(jìn) 程控制塊。程序、數(shù)據(jù)、棧和屬性的集合稱為進(jìn)程映像「process image」。

　　在最簡單的情況下，進(jìn)程映像保存在鄰近的活連續(xù)的存儲塊中。因此，操作系統(tǒng)必須知道每 個進(jìn)程在磁盤中的位置;對于在內(nèi)存中的進(jìn)程，需要知道其在內(nèi)存中的位置。

　　現(xiàn)代操作系統(tǒng)嘉定分頁硬件允許用不連續(xù)的物理內(nèi)存來支持部分常駐內(nèi)存的程序。在任何給 定的時刻，進(jìn)程映像的一部分可以在內(nèi)存中，剩余部分可以在外存中。因此，操作系統(tǒng)維護(hù) 的進(jìn)程表必須表明每個進(jìn)程映像中每頁的位置。

　　進(jìn)程屬性

　　操作系統(tǒng)所需要的'每個進(jìn)程信息的簡單分類：

　　進(jìn)程標(biāo)識信息

　　進(jìn)程狀態(tài)信息

　　進(jìn)程控制信息

　　所有的操作系統(tǒng)中，每個進(jìn)程都分配了唯一的一個數(shù)字來表示進(jìn)程標(biāo)識符。除此之外， 還分配一個用戶標(biāo)識符，用于表明擁有該進(jìn)程的用戶。

　　處理器狀態(tài)信息包括處理器寄存器的內(nèi)容。當(dāng)進(jìn)程被中斷時，所有寄存器中的信息必須 被保存起來，使得進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行時，這些信息可以被恢復(fù)。

　　進(jìn)程控制塊中的第三類主要信息是進(jìn)程控制信息，用于操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)各種活動進(jìn) 程所需要的額外信息。

　　進(jìn)程控制塊中可能還包含構(gòu)造信息，包括將進(jìn)程控制塊鏈接起來的指針。

　　進(jìn)程控制塊的作用

　　進(jìn)程控制塊是操作系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)中的每個模塊，包括那些設(shè)計調(diào)度、 資源分配、中斷處理、性能檢測和分析的模塊，都可能讀取或者修改進(jìn)程控制塊。

　　進(jìn)程控制

　　>>(1)執(zhí)行模式

　　為了保護(hù)操作系統(tǒng)和重要的操作系統(tǒng)表不受用戶程序的干涉，操作系統(tǒng)通常使用兩種模式管理進(jìn)程：特權(quán)模式『也稱為系統(tǒng)模式(system mode)、控制模式(control mode)或者內(nèi)核模式 (kernel mode)』，和用戶模式。

　　在內(nèi)核模式下，軟件具有對處理器及所有指令、寄存器和內(nèi)存的控制能力，這一級的控制對用戶程序不是必需的，并且為了安全也不是用戶程序可以訪問的。

　　>>(2)進(jìn)程創(chuàng)建

　　操作系統(tǒng)一般安裝以下步驟創(chuàng)建進(jìn)程：

　　給進(jìn)程分配一個唯一的進(jìn)程標(biāo)識符。此時，主進(jìn)程表中增加一條新表項，其對應(yīng)該進(jìn)程。

　　給進(jìn)程分配空間。包括進(jìn)程映像中的所有元素。

　　初始化進(jìn)程控制塊。進(jìn)程控制信息部分的初始化基于標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值和為該進(jìn)程所請求的屬 性。

　　設(shè)置正確的連接。

　　創(chuàng)建或者擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　>>(3)進(jìn)程切換

　　關(guān)于進(jìn)程切換，有著一些問題。

　　進(jìn)程什么時候進(jìn)程切換?

　　執(zhí)行模式切換和進(jìn)程切換之間有什么區(qū)別?

　　進(jìn)程切換時，操作系統(tǒng)必須對它控制的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做什么?

　　何時切換進(jìn)程

　　通常，下列原因可能造成進(jìn)程切換。

　　模式切換

　　如果存在一個未處理的中斷，處理器會做以下工作：

　　把程序計數(shù)器置成中斷處理程序的開始地址。

　　從用戶模式切換到特權(quán)模式，使得中斷處理代碼可以包含有特權(quán)的指令。

　　進(jìn)程的狀態(tài)變化

　　如果當(dāng)前正在運行的進(jìn)程被轉(zhuǎn)換到另外一個狀態(tài)(就緒、掛起等)，則操作系統(tǒng)必須使其環(huán)境發(fā)生實質(zhì)性的變化：

　　保存處理器的上下文環(huán)境，包括程序計數(shù)器和其他寄存器。

　　更新當(dāng)前處于運行態(tài)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，包括將進(jìn)程狀態(tài)改變到另外一個狀態(tài)。

　　將進(jìn)程的進(jìn)程控制塊移到相應(yīng)的隊列。

　　選擇另一個進(jìn)程執(zhí)行。

　　更新所算則進(jìn)程的進(jìn)程控制塊。

　　更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　恢復(fù)處理器在被選擇的進(jìn)程最近一次切換出運行狀態(tài)時的上下文環(huán)境。

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