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进程 ​

1. 进程的概念和描述 ​

概念 ​

进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程与程序的区别 ​

  • 程序：具有顺序性、封闭性、可再现性。
  • 进程：具有独立性（独立地址空间）、随机性，并可参与资源共享。
  • 动态性：进程是动态的，程序是静态的。
  • 并发性：进程可以并发执行，程序不能。

进程的组织 ​

进程主要由程序集合、数据集合和进程控制块 (PCB) 三部分组成。

graph LR
    Process[进程] --> Program[程序集合]
    Process --> Data[数据集合]
    Process --> PCB[进程控制块 PCB]
    PCB --> Desc[描述信息]
    PCB --> Control[控制信息]
    PCB --> Resource[资源信息]
    PCB --> Context[现场保护]

    classDef default fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px;
    classDef pcb fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px;
    class PCB,Desc,Control,Resource,Context pcb;

进程控制块 PCB (Process Control Block) ​

PCB 是进程存在的唯一标志。主要包含：

  1. 描述信息：进程号 (PID)、用户标识符 (UID) 等。
  2. 控制信息：进程状态、优先级、程序入口地址等。
  3. 资源信息：内存、文件、设备等资源清单。
  4. 现场保护：CPU 现场信息（各种寄存器值）、上下文结构。

2. 进程状态及转换 ​

三种基本状态 ​

  1. 运行态 (Running)：进程正在处理机上运行。
  2. 就绪态 (Ready)：进程已获得除处理机以外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行。
  3. 阻塞态 (Blocked/Waiting)：进程正在等待某一事件而暂停运行（如等待I/O完成）。

状态转换 ​

stateDiagram-v2
    direction LR
    [*] --> 就绪态: 创建
    就绪态 --> 运行态: 调度
    运行态 --> 就绪态: 时间片完/抢占
    运行态 --> 阻塞态: 等待事件/I/O
    阻塞态 --> 就绪态: 事件完成
    运行态 --> [*]: 终止
  • 就绪 -> 运行：调度程序选择一个新的进程运行。
  • 运行 -> 就绪：时间片用完，或被更高优先级的进程抢占。
  • 运行 -> 阻塞：进程请求I/O，或申请资源失败，或等待某个事件。
  • 阻塞 -> 就绪：I/O完成，或申请的资源得到满足，或等待的事件发生。

注意：不能进行的转换 ​

  • 阻塞 -> 运行：阻塞进程必须先进入就绪队列，等待调度。

  • 就绪 -> 阻塞：进程只有在运行时才能发出I/O请求或等待事件，因此不能直接从就绪变为阻塞。

3. 进程控制（四种原语） ​

进程控制通过原语实现，原语的主要特点是原子性（执行期间不允许中断）。

  1. 创建原语 (Create)：
    • 申请空白PCB。
    • 为新进程分配资源。
    • 初始化PCB。
    • 将新进程插入就绪队列。
  2. 终止原语 (Destroy)：
    • 从PCB集合中找到终止进程的PCB。
    • 若进程正在运行，立即剥夺CPU。
    • 回收进程拥有的所有资源。
    • 撤销PCB。
  3. 阻塞原语 (Block)：
    • 找到要阻塞进程的PCB。
    • 保护现场，将状态改为阻塞态。
    • 将PCB插入相应的等待队列。
  4. 唤醒原语 (Wakeup)：
    • 在等待队列中找到进程PCB。
    • 将其从等待队列移出，状态改为就绪态。
    • 插入就绪队列。

4. 进程的通信 ​

  1. 共享内存 (Shared Memory)：
    • 在内存中开辟一个共享存储区，各进程通过对该存储区的读写来实现通信。
    • 速度最快，需要同步机制配合。
  2. 消息传递 (Message Passing)：
    • 直接通信：发送进程直接把消息发送给接收进程。
    • 间接通信 (信箱)：发送进程把消息发送到中间实体（信箱），接收进程从信箱中取得消息。
  3. 管道 (Pipe)：
    • 利用一种特殊的 pipe 文件连接两个进程。
    • 数据单向流动（半双工）。
    • 匿名管道通常用于父子进程通信；命名管道 (FIFO) 可用于无关进程。

5. 进程同步与互斥 ​

两种制约关系 ​

  1. 同步（直接制约关系）：
    • 定义：为完成某种任务而建立的两个或多个进程，因为需要在某些位置上协调工作次序而产生的制约关系。
    • 例子：生产-消费问题（先生产，后消费）。
  2. 互斥（间接制约关系）：
    • 定义：当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。
    • 例子：打印机资源共享。

互斥的执行过程 ​

sequenceDiagram
    participant P1 as 进程A
    participant Res as 临界资源
    participant P2 as 进程B
    P1->>Res: P操作(加锁)
    Note over P1,Res: 访问临界区
    P2->>Res: P操作(尝试加锁)
    Note over P2: 阻塞等待
    P1->>Res: V操作(解锁)
    Note over P2: 被唤醒
    P2->>Res: 获得资源

信号量机制 (PV操作) ​

用于解决同步与互斥问题的有效工具。

  • P操作 (wait)：申请资源。S = S - 1，若 S < 0，进程进入阻塞队列。
  • V操作 (signal)：释放资源。S = S + 1，若 S <= 0，唤醒一个阻塞进程。
  • 注意：互斥信号量初值通常为 1；同步信号量初值由资源数量决定。

6. 死锁问题 ​

概念 ​

多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程都将无法向前推进。

死锁产生的四个必要条件 ​

  1. 互斥条件：资源是独占的。
  2. 不剥夺条件：进程获得的资源在未使用完之前，不能被其他进程强行夺走。
  3. 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求。
  4. 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链。

死锁预防 ​

破坏四个必要条件中的一个或多个：

  • 破坏互斥条件（一般不现实）。
  • 破坏不剥夺条件（实现复杂，代价大）。
  • 破坏请求和保持条件（一次性申请所有资源）。
  • 破坏循环等待条件（资源有序分配法）。

死锁避免 - 银行家算法 ​

  • 核心思想：在资源分配前，先计算此次分配是否会导致系统进入不安全状态。如果会，则不分配；否则分配。
  • 安全序列：指如果系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成。只要能找出一个安全序列，系统就是安全的。

7. 线程 ​

概念 ​

线程是程序执行流的最小单元。

进程与线程的关系 ​

graph TD
    subgraph Process[进程]
        T1((线程1))
        T2((线程2))
        T3((线程3))
        Res[资源: 内存/文件]
        T1 --- Res
        T2 --- Res
        T3 --- Res
    end
    style Process fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style Res fill:#ccf

引入线程后的变化 ​

  1. 资源分配：进程依然是资源分配的基本单位。
  2. 调度：线程成为CPU调度和分派的基本单位。
  3. 并发性：不仅进程之间可以并发，同一个进程中的多个线程也可以并发执行。
  4. 系统开销：线程创建、切换的开销远小于进程。