操作系统基础概念

进程基础

进程的基本概念

• 程序顺序执行的特征：
  1. 顺序性
  2. 封闭性
  3. 可再现性
• 程序并发执行的特征：
  1. 间断性
  2. 失去封闭性：各程序共享系统资源
  3. 不可再现性：必须想办法避免
• 进程的概念：具有独立功能的程序在某一个数据集合上的执行过程。它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
• 进程的特征：
  • 结构特征：
    1. PCB（进程控制块）：与进程共存亡，用于记录进程的基本情况和活动过程，一般常驻内存
    2. 程序段：描述要完成的功能，需要的时候动态调入内存
    3. 数据段：操作的对象即工作区，需要的时候动态调入内存
  • 动态性：进程是动态的。由创建产生，由调度（进程调度而非作业调度）执行，由撤销而消亡
  • 并发性：多个进程实体在内存中，能在同一时间段内执行
  • 独立性：进程实体是一个能独立运行，独立获得资源和独立接收调度的基本单位
  • 异步性：指进程以不可预知的速度向前推进
• 进程的三种基本状态：
  • 就绪状态：进程已经分配到了除CPU外的所有资源，获得CPU即可执行
  • 执行状态：已经获得CPU，正在执行的进程（单处理机同一时刻只能有一个进程，多处理机则相反）
  • 阻塞/等待状态：在执行的过程中由于发生某些事件（I/O请求、申请缓存等），暂时无法执行的进程。进入阻塞态的进程被调离内存，进入外存。
• 进程的创建状态和终止状态：
  • 创建状态：就绪状态之前的状态
  • 终止状态：自然结束、遇到无法克服的问题、被操作系统终结，即进入终止状态

进程与程序的区别与联系

• 区别：
  • 进程是一个动态的概念，程序是静态的概念
  • 进程可以具有并行性，但是程序没有
  • 进程是竞争系统资源的基本单位
• 联系：一个程序可以对应多个进程，一个进程又可以为多个程序服务

进程同步

• 进程同步的基本概念：
  • 进程同步的目的：
    • 按照一定的规则共享系统资源
    • 对多个相关进程在执行次序上进行协调，使程序具有可再现性
  • 两种形式的制约关系：
    • 间接相互制约关系：多个进程在并发执行时，由于共享系统的临界资源而相互制约（互斥）
    • 直接相互制约关系：多个进程为完成统一任务而相互合作（同步）
  • 临界资源：一次仅允许一个进程使用的共享资源
  • 互斥和同步的概念：
    • 互斥：并发的多个进程由于竞争同一资源，而产生的互相排斥的关系
    • 同步：进程间共同完成一项任务时，直接发生相互作用的关系
  • 信号量机制：
    • 信号量：
      • 仅与P，V操作有关。P为等候原语wait（S），V为释放原语signal（S）
      • wait操作即在申请资源，signal操作即在释放资源
    • 整型信号量：
      • 定义：一个用于表示资源数目的整形量。当申请资源时死循环等待有空闲，然后将资源数-1。释放时将资源数+1。
      • 优缺点：实现简单；违背了同步机制中的让权等待原则，死循环浪费资源。
    • 记录型信号量：
      • 定义：使用结构体，记录资源空闲数或被阻塞的进程数和阻塞列表。当申请资源时将变量-1，若变量小于0，则将进程加入阻塞队列。释放时将变量+1，并可能会唤醒一个阻塞的进程。
      • 优缺点：通过链表弥补整形信号量的缺点。只适用于对单一资源的管理，无法管理一个进程需要请求多类资源的情况，可能会发生死锁。
    • AND型信号量：
      • 定义：类似地，可以同时申请多个资源，当全部满足时分配，否则进入阻塞态。释放时将所有处于阻塞态的其它任务唤醒。
    • 信号量集：
      • 定义：类似地，可以同时申请多个资源，且可以要求至少需要的资源数量。