第2章 進(jìn)程管理

第2章進(jìn)程管理

學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)要點2.1系統(tǒng)的基本工作單位2.2進(jìn)程的結(jié)構(gòu)2.3進(jìn)程的控制2.4進(jìn)程的協(xié)調(diào)2.5進(jìn)程的通信2.6進(jìn)程的安全性2.7進(jìn)程的演化與進(jìn)展2.8Linux的進(jìn)程管理2.9Windows2000/XP的進(jìn)程管理本章小結(jié)第2章：進(jìn)程管理返回到目錄本章學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握：進(jìn)程的定義，臨界區(qū)概念，進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換，進(jìn)程的同步與互斥。

理解：程序與進(jìn)程的對比，進(jìn)程與線程，信號量及P，V操作、死鎖。

了解：Linux及WindowsXP實例，本章其他內(nèi)容。第2章：進(jìn)程管理本章學(xué)習(xí)要點應(yīng)深入理解、掌握什么是進(jìn)程及其特征，進(jìn)程的狀態(tài)及引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原因；什么是臨界區(qū)及其操作原則，進(jìn)程同步與互斥；信號量和管程的概念及P，V操作；進(jìn)程通信；同時要掌握引起死鎖的原因及怎樣解除和系統(tǒng)恢復(fù)。第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.1系統(tǒng)的基本工作單位

2.1.1進(jìn)程概念的引入2.1.2進(jìn)程管理第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.1.1進(jìn)程概念的引入1．順序程序的基本特征2．程序的并行執(zhí)行特征3．進(jìn)程的定義及其特征4．進(jìn)程的類型第2章：進(jìn)程管理1．順序程序的基本特征

順序程序是指程序中若干操作必須按照某種先后次序來執(zhí)行，并且每次操作前和操作后的數(shù)據(jù)、狀態(tài)之間都有—定的關(guān)系。在早期的程序設(shè)計中，程序一般都是順序地執(zhí)行的。順序程序的基本特征如下：（1）順序性；（2）惟一對應(yīng)性；（3）封閉性；（4）可再現(xiàn)性。第2章：進(jìn)程管理2．程序的并行執(zhí)行特征

在多道程序系統(tǒng)中，程序的運行環(huán)境發(fā)生了很大的變化。主要體現(xiàn)在：（1）資源共享。為了提高資源的利用率，計算機系統(tǒng)中的資源不再由一道程序獨占使用，而是由多道程序共同使用。（2）程序的并發(fā)執(zhí)行或并行執(zhí)行。

第2章：進(jìn)程管理2．程序的并行執(zhí)行特征

（1）并發(fā)性。即并發(fā)程序的若干個程序段同時在系統(tǒng)中運行，這些程序段的執(zhí)行在時間上是重迭的，一個程序段的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一個程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始，即使這種重迭是很小的一部分，也稱這幾個程序段是并發(fā)執(zhí)行的。（2）動態(tài)性。指程序與其執(zhí)行活動不再一一對應(yīng)。并發(fā)程序中的并發(fā)活動是動態(tài)產(chǎn)生、動態(tài)消亡的。如，幾道并發(fā)執(zhí)行的C語言程序共享C編譯系統(tǒng)，在這種情況下，—個編譯程序能同時為多道程序服務(wù)，每個程序調(diào)用—次就是執(zhí)行一次，即這個編譯程序?qū)?yīng)多個執(zhí)行活動。第2章：進(jìn)程管理2．程序的并行執(zhí)行特征（3）開放性。指系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行的程序，共享使用的資源，程序的執(zhí)行與外部因素（如執(zhí)行速度）有關(guān)，不再具有封閉性。（4）相互制約性：指程序的動態(tài)活動相互依賴，相互制約。其制約關(guān)系可分為間接制約關(guān)系和直接制約關(guān)系兩種。間接制約關(guān)系是指相互無邏輯關(guān)系的用戶程序之間競爭使用資源所發(fā)生的制約關(guān)系；直接制約關(guān)系是指存在邏輯關(guān)系的程序之間相互等待而發(fā)生的制約關(guān)系。通過程序活動的這種相互制約關(guān)系，才能保證程序的正確運行。第2章：進(jìn)程管理3．進(jìn)程的定義及其特征進(jìn)程是程序在數(shù)據(jù)集合上的運行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。進(jìn)程具有如下特征：（1）動態(tài)特征。（2）并發(fā)特征。（3）獨立特征。（4）相互制約特征。第2章：進(jìn)程管理4．進(jìn)程的類型（1）系統(tǒng)進(jìn)程和用戶進(jìn)程（2）父進(jìn)程和子進(jìn)程第2章：進(jìn)程管理圖2-2進(jìn)程族系關(guān)系圖返回到本節(jié)2.1.2進(jìn)程管理進(jìn)程作為操作系統(tǒng)的核心，具有如下管理的功能：

1．進(jìn)程族系。

2．原語操作

3．進(jìn)程創(chuàng)建

4．進(jìn)程終止

5．進(jìn)程阻塞

6．進(jìn)程喚醒

7．進(jìn)程映像的更換第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.2進(jìn)程的結(jié)構(gòu)

2.2.1進(jìn)程的實體2.2.2進(jìn)程控制塊2.2.3進(jìn)程的狀態(tài)

第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.2.1進(jìn)程的實體進(jìn)程的活動是通過在CPU上執(zhí)行一系列程序和對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作來體現(xiàn)的，因此程序和它操作的數(shù)據(jù)是進(jìn)程存在的實體。但這二者僅是靜態(tài)的文本，沒有反映出其動態(tài)特性。為此，還需要有一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來描述進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)、本身的特性等。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被稱為進(jìn)程控制塊（PCB，ProcessControlBlock），它既能標(biāo)識進(jìn)程的存在，又能刻畫進(jìn)程瞬間特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。所以進(jìn)程實體通常就由程序、數(shù)據(jù)集合，用PCB來標(biāo)識和刻畫實體的存在和變化。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.2.2進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊是進(jìn)程組成中最關(guān)鍵的部分，其中含有進(jìn)程的描述信息和控制信息，是進(jìn)程動態(tài)特性的集中反映，它是系統(tǒng)對進(jìn)程施行識別和控制的依據(jù)。系統(tǒng)為每個進(jìn)程設(shè)置一個PCB，它是標(biāo)識和描述進(jìn)程存在及有關(guān)特性的數(shù)據(jù)塊，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識，是進(jìn)程動態(tài)特征的集合反映。PCB中所包含的信息類型和數(shù)量隨操作系統(tǒng)而異。在小型的比較簡單的操作系統(tǒng)中，PCB只占用十幾個單元，而在比較復(fù)雜的大型操作系統(tǒng)中，PCB則可能占用數(shù)十甚至數(shù)百個單元。系統(tǒng)創(chuàng)建一個進(jìn)程時，就為其創(chuàng)建一個PCB；進(jìn)程被撤離系統(tǒng)時，由系統(tǒng)撤離PCB。PCB的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。第2章：進(jìn)程管理2.2.2進(jìn)程控制塊

第2章：進(jìn)程管理進(jìn)程名進(jìn)程號優(yōu)先數(shù)位置信息狀態(tài)信息現(xiàn)場信息通信信息資源記載其他圖2-3PCB結(jié)構(gòu)2.2.2進(jìn)程控制塊

PCB常用兩種組織方式：一種是線性表，一種是鏈接表。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)PCB1PCB2PCBn2.2.3進(jìn)程的狀態(tài)

1．進(jìn)程的基本狀態(tài)（1）運行態(tài)（running）（2）就緒態(tài)（ready）（3）阻塞態(tài)（blocked）

如圖所示：

第2章：進(jìn)程管理2.2.3進(jìn)程的狀態(tài)

2．進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（1）就緒→運行（2）運行→阻塞（3）阻塞→就緒（4）運行一＞就緒在不少系統(tǒng)中，處了上述的三種基本狀態(tài)之外，又增加了兩種狀態(tài)：（1）創(chuàng)建狀態(tài)。（2）退出狀態(tài)。第2章：進(jìn)程管理2.2.3進(jìn)程的狀態(tài)

第2章：進(jìn)程管理圖2-6具有五種狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)圖2.2.3進(jìn)程的狀態(tài)

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)圖2-7具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程基本狀態(tài)圖2.3進(jìn)程的控制

2.3.1進(jìn)程控制機構(gòu)2.3.2進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷2.3.3進(jìn)程的掛起與恢復(fù)第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.3.1進(jìn)程控制機構(gòu)

常用的進(jìn)程控制原語有：創(chuàng)建進(jìn)程，刪除進(jìn)程，掛起進(jìn)程，激活進(jìn)程，睡眠進(jìn)程，喚醒進(jìn)程等。操作系統(tǒng)通過這些原語的實現(xiàn)供外部調(diào)用，以達(dá)到控制進(jìn)程活動的目的。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.3.2進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷

1.進(jìn)程創(chuàng)建常用建立進(jìn)程的方法有兩種：一是創(chuàng)建法；另一種方法是生成法。操作系統(tǒng)主要完成的工作是：（1）在系統(tǒng)空間中分配新的進(jìn)程PCB空間，根據(jù)調(diào)用參數(shù)置PCB中的有關(guān)域；（2）裝配進(jìn)程所需執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)集合，并將其存儲信息保存在PCB中；（3）初始化進(jìn)程PCB中的現(xiàn)場區(qū)，其中現(xiàn)場區(qū)PC相應(yīng)的域內(nèi)，放入程序的入口地址；（4）將新進(jìn)程加入就緒狀態(tài)隊列，請求進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。第2章：進(jìn)程管理2.3.2進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷

2.進(jìn)程撤銷進(jìn)程撤銷又叫進(jìn)程刪除，撤消撤銷進(jìn)程可能有兩種情形：一種是進(jìn)程正常結(jié)束；一種是進(jìn)程非正常結(jié)束。當(dāng)一個進(jìn)程在完成其任務(wù)正常結(jié)束時，則系統(tǒng)自行調(diào)用該刪除進(jìn)程原語將自身刪除。當(dāng)在運行過程中遇到某些意外事件無法繼續(xù)運行（處于非正常結(jié)束）時，則由父進(jìn)程（即創(chuàng)建者）或由系統(tǒng)直接調(diào)用該原語，將其強行刪除。撤銷進(jìn)程通常需要完成如下工作：（1）定位欲刪除的進(jìn)程PCB；（2）回收進(jìn)程所占的全部資源；（3）遞歸地刪除其所有“子孫”進(jìn)程；（4）刪除PCB，處理記賬信息；（5）若刪除的是正在運行的進(jìn)程，則請求重新調(diào)度，否則返回。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.3.3進(jìn)程的掛起與恢復(fù)

1．進(jìn)程掛起在進(jìn)程控制中，可以有多種掛起方式：（1）把發(fā)出本命令的進(jìn)程自身掛起；（2）掛起具有指定標(biāo)識符的進(jìn)程；（3）把某進(jìn)程及其全部或部分子孫進(jìn)程一起掛起。通常來說，掛起具有指定標(biāo)識符的進(jìn)程的情形用的較多。在掛起進(jìn)程控制中，操作系統(tǒng)主要完成如下工作：（1）定位欲掛起的進(jìn)程PCB；（2）將其運行的有關(guān)現(xiàn)場信息放至調(diào)用者指定的區(qū)域；（3）將進(jìn)程變?yōu)閽炱馉顟B(tài)；（4）如果進(jìn)程從運行狀態(tài)變?yōu)閽炱馉顟B(tài)，則請求重新調(diào)度。第2章：進(jìn)程管理2.3.3進(jìn)程的掛起與恢復(fù)

2．激活進(jìn)程與“掛起進(jìn)程”原語相對應(yīng)，系統(tǒng)提供了一條“激活進(jìn)程”原語，供用戶或創(chuàng)建者用于將原來被掛起的進(jìn)程重新激活。對于激活進(jìn)程原語，操作系統(tǒng)主要完成如下工作：（1）定位欲激活的進(jìn)程PCB；（2）將該進(jìn)程改為就緒狀態(tài)；（3）請求重新調(diào)度。第2章：進(jìn)程管理2.3.3進(jìn)程的掛起與恢復(fù)

3．進(jìn)程睡眠進(jìn)程在運行過程中一旦自身認(rèn)為需等待某一事件的發(fā)生（如需等待伙伴進(jìn)程的同步信號等）才能繼續(xù)運行，則自身調(diào)用睡眠進(jìn)程原語，放棄CPU，進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)?！八摺迸c“掛起”原語的主要區(qū)別在于：掛起是人的干預(yù)，將指定進(jìn)程掛起；而睡眠是本進(jìn)程使自身進(jìn)入“睡眠”狀態(tài)：對睡眠進(jìn)程原語，系統(tǒng)主要完成如下工作（1）定位當(dāng)前運行狀態(tài)的進(jìn)程PCB；（2）放棄CPU，保留現(xiàn)場；（3）將其狀態(tài)改變?yōu)椤八摺睜顟B(tài)；（4）請求重新調(diào)度。第2章：進(jìn)程管理2.3.3進(jìn)程的掛起與恢復(fù)

4．喚醒進(jìn)程與“睡眠”進(jìn)程原語相對應(yīng)，系統(tǒng)提供了一條“喚醒”進(jìn)程原語。調(diào)用者可以使用該原語將某一個正在“睡眠”的進(jìn)程喚醒，使它變?yōu)榫途w狀態(tài)。對于喚醒進(jìn)程原語，操作系統(tǒng)應(yīng)完成的主要工作如下：（1）定位被喚醒的進(jìn)程PCB；（2）將其改變?yōu)榫途w狀態(tài)，插人就緒隊列（3）請求重新調(diào)度。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.4進(jìn)程的協(xié)調(diào)

2.4.1進(jìn)程互斥2.4.2進(jìn)程同步2.4.3信號量和P，V操作2.4.4管程2.4.5經(jīng)典進(jìn)程的同步第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.4.1進(jìn)程互斥進(jìn)程間的制約關(guān)系具體可分為兩類。（1）互斥關(guān)系，也稱間接制約關(guān)系。指進(jìn)程間因相互競爭使用獨占型資源，而產(chǎn)生的制約關(guān)系。它主要由資源共享引起。這種關(guān)系表現(xiàn)形式為：進(jìn)程－資源－進(jìn)程。（2）同步關(guān)系，也稱直接制約關(guān)系。指為了完成同一任務(wù)的諸進(jìn)程間需要在某些位置上協(xié)調(diào)工作，進(jìn)行相互等待，相互交換信息所表現(xiàn)出的相互制約關(guān)系。它可由共享資源引起，又可由進(jìn)程合作而引起，主要是各個進(jìn)程的行動時間次序必須滿足某種依賴關(guān)系。這種關(guān)系的表現(xiàn)形式為：進(jìn)程－進(jìn)程。第2章：進(jìn)程管理2.4.1進(jìn)程互斥

1.進(jìn)程互斥與臨界區(qū)（1）臨界資源與臨界區(qū)為了保證臨界資源的正確使用，可以把臨界資源的訪問過程分成四個部分。

①進(jìn)入?yún)^(qū)：為了進(jìn)入臨界區(qū)使用臨界資源，在進(jìn)入?yún)^(qū)要檢查是否可以進(jìn)入臨界區(qū)；如果可以進(jìn)入臨界區(qū)，通常設(shè)置相應(yīng)的“正在訪問臨界區(qū)”標(biāo)志，以阻止其他進(jìn)程同時進(jìn)入臨界區(qū)。

②臨界區(qū)：進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼，又稱臨界段。

③退出區(qū)：臨界區(qū)后用于將“正在訪問臨界區(qū)”標(biāo)志清除的部分。

④剩余區(qū)：進(jìn)程中除進(jìn)入?yún)^(qū)、臨界區(qū)、退出區(qū)以外的其他部分。第2章：進(jìn)程管理2.4.1進(jìn)程互斥

2．互斥的概念與要求在操作系統(tǒng)中，當(dāng)一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)使用臨界資源時，另一個進(jìn)程必須等待，當(dāng)占用臨界資源的進(jìn)程退出臨界區(qū)后，另一進(jìn)程才允許訪問此臨界資源，我們稱進(jìn)程之間的這種相互制約關(guān)系為互斥。進(jìn)程訪問臨界區(qū)的準(zhǔn)則：（1）空閑讓進(jìn)。當(dāng)沒有進(jìn)程處于臨界區(qū)時，可以允許一個請求進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程立即進(jìn)入自己的臨界區(qū)。（2）忙則等待。當(dāng)已有進(jìn)程進(jìn)入其臨界區(qū)時，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程必須等待。（3）有限等待。當(dāng)進(jìn)程不能進(jìn)入自己的臨界區(qū)時，應(yīng)釋放處理機。第2章：進(jìn)程管理2.4.1進(jìn)程互斥

3．互斥的實現(xiàn)方法互斥的實現(xiàn)既可以用軟件方法，也可以用硬件方法。（1）軟件方法（2）硬件方法硬件方法的主要思想是用一條指令完成標(biāo)志的檢查和修改兩個操作，因而保證了檢查操作與修改操作不被打斷；或通過中斷屏蔽的方式來保證檢查和修改作為一個整體執(zhí)行。

①中斷屏蔽方法

②硬件指令方法第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.4.2進(jìn)程同步所謂同步，就是并發(fā)進(jìn)程在一些關(guān)鍵點上可能需要互相等待與互通消息，這種相互制約的等待與互通消息稱為進(jìn)程同步。同步意味著兩個或多個進(jìn)程之間根據(jù)它們一致協(xié)議進(jìn)行相互作用。同步的實質(zhì)是使各合作進(jìn)程的行為保持某種一致性或不變關(guān)系。要實現(xiàn)同步，一定存在著遵循的同步規(guī)則。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.4.3信號量和P，V操作

1．信號量及P，V操作原語信號量，也叫信號燈，一般是有兩個成員組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中一個成員是整型變量，表示該信號量的值，另一個是指向PCB的指針。當(dāng)多個進(jìn)程都等待同一信號量時，它們就排成一個隊列，由信號量的指針項指出該隊列的頭，而PCB隊列是通過PCB本身所包含的指針項進(jìn)行鏈接的。最后一個PCB（即隊尾）的鏈接指針為0。信號量的值是與相應(yīng)資源的使用情況有關(guān)的。當(dāng)它的值大于0時，表示當(dāng)前可用資源的數(shù)量；當(dāng)它的值小于0時，其絕對值表示等待使用該資源的進(jìn)程個數(shù)，既在該信號量隊列上排隊的PCB的個數(shù)。

第2章：進(jìn)程管理2.4.3信號量和P，V操作

信號量在使用過程中它的值是可變的，但只能由P，V操作來改變。設(shè)信號量為S，對S的P操作記為P(S)，對它的V操作記為V(S)。

P(S)順序執(zhí)行以下兩個動作：（1）信號量的值減1，即S=S-1；（2）如果S≥0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；如果S＜0，則把該進(jìn)程的狀態(tài)置為封鎖狀態(tài)，把相應(yīng)的PCB連入該信號量隊列的末尾，并放棄處理機，進(jìn)行等待（直至其他進(jìn)程在S上執(zhí)行V操作，把它釋放出來為止）。第2章：進(jìn)程管理2.4.3信號量和P，V操作

第2章：進(jìn)程管理圖2-9P操作2.4.3信號量和P，V操作

V(S)順序執(zhí)行以下兩個動作：（1）S值加1，即S=S＋1；（2）如果S＞0，則該進(jìn)程繼續(xù)運行；如果S≤0則釋放信號量隊列上的第一個PCB（即信號量指針項所指向的PCB）所對應(yīng)的進(jìn)程（把封鎖狀態(tài)改為就緒狀態(tài)），執(zhí)行V操作的進(jìn)程繼續(xù)運行。其流程圖如圖2-10所示。第2章：進(jìn)程管理2.4.3信號量和P，V操作

第2章：進(jìn)程管理圖2-10V操作3．用P，V原語實現(xiàn)簡單同步S1——表示緩沖區(qū)是否空（0表示不空，1表示空）；S2——表示緩沖區(qū)是否滿（0表示不滿，1表示滿）。規(guī)定S1和S2的初值均為0，則對緩沖區(qū)的供者進(jìn)程和用者進(jìn)程的同步關(guān)系用下述方式實現(xiàn)：供者進(jìn)程用者進(jìn)程L1：啟動讀卡機L2：............收到輸人結(jié)束中斷P(S2);

從緩沖區(qū)取出信息V（S2）：V（S1）；P（S1）；加工并存盤gotoL1；gotoL2；第2章：進(jìn)程管理2.4.3信號量和P，V操作

用P，V操作實現(xiàn)同步時應(yīng)注意：（1）分析進(jìn)程間的制約關(guān)系，確定信號量種類。在保持進(jìn)程間有正確的同步關(guān)系情況下，哪個進(jìn)程應(yīng)先執(zhí)行，哪些進(jìn)程后執(zhí)行，彼此間通過什么資源（信號量）進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而明確要設(shè)置哪些信號量。（2）信號量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P，V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。（3）同一信號量的P，V操作要“成對”出現(xiàn)，但它們分別在不同的進(jìn)程代碼中。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.4.4管程

管程定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和能為并發(fā)進(jìn)程所執(zhí)行的一組操作，這組操作能同步進(jìn)程和改變管程中的數(shù)據(jù)。由管程的定義可知，管程由局部于管程的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明、對這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作的一組過程以及對局部于管程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置初始值的語句組成。管程有以下基本特征：（1）局部于管程的數(shù)據(jù)這能被局部于管程內(nèi)的過程所訪問。（2）一個進(jìn)程只有通過調(diào)用管程內(nèi)的過程才能進(jìn)入管程訪問共享數(shù)據(jù)。（3）每次僅允許一個進(jìn)程在管程內(nèi)執(zhí)行某個內(nèi)部過程。即進(jìn)程互斥地通過調(diào)用內(nèi)部過程進(jìn)入管程。其他想進(jìn)入管程的過程必須等待，并阻塞在等待隊列。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.4.5經(jīng)典進(jìn)程的同步1．生產(chǎn)者－消費者問題2．讀者—寫者問題3．哲學(xué)家問題第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.5進(jìn)程的通信

2.5.1進(jìn)程通信的類型2.5.2進(jìn)程通信的方式

第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.5.1進(jìn)程通信的類型

1．共享存儲器系統(tǒng)為了傳輸大量數(shù)據(jù)，在存儲器中劃出一塊共享存儲區(qū)，多個進(jìn)程可以通過對共享存儲區(qū)進(jìn)行讀或?qū)憗韺崿F(xiàn)通信。進(jìn)程在通信前，向系統(tǒng)申請建立一個共享存儲區(qū)，并指定該共享存儲區(qū)的關(guān)鍵字；若該共享存儲區(qū)已經(jīng)建立，則將該共享存儲區(qū)的描述符返回給申請者。然后，申請者把獲得的共享存儲區(qū)符接到進(jìn)程上；這樣，進(jìn)程便可以像讀寫普通存儲器一樣地讀寫共享存儲區(qū)。第2章：進(jìn)程管理2.5.1進(jìn)程通信的類型

2．消息傳遞系統(tǒng)

在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換以消息為單位，程序員直接利用系統(tǒng)提供的一組通信命令（原語）來實現(xiàn)通信。第2章：進(jìn)程管理2.5.1進(jìn)程通信的類型

3．管道通信系統(tǒng)

管道是用于連接讀進(jìn)程和寫進(jìn)程以實現(xiàn)它們之間通信的共享文件，向管道提供輸入的發(fā)送進(jìn)程（即寫進(jìn)程）以字符流形式將大量的數(shù)據(jù)送入管道，而接收管道輸出的接收進(jìn)程（即讀進(jìn)程）可以從管道中接收數(shù)據(jù)。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.5.2進(jìn)程通信的方式

1．消息緩沖通信。所謂消息是指一組信息，消息緩沖區(qū)是含有如下信息的緩沖區(qū)：指向發(fā)送進(jìn)程的指針sender；指向下一個消息緩沖區(qū)的指針next；消息長度size；消息正文text。第2章：進(jìn)程管理2.5.2進(jìn)程通信的方式

2．信箱通信

信箱通信是一種間接通信方式。信箱是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中存放信件。當(dāng)一個進(jìn)程（發(fā)送進(jìn)程）要與另一個進(jìn)程（接收進(jìn)程）通信時，可由發(fā)送進(jìn)程創(chuàng)建一個鏈接兩進(jìn)程的信箱，通信時發(fā)送進(jìn)程只須把它的信件投入信箱，接收進(jìn)程就可以在任何時候取走信件，不存在信件丟失的可能。信箱邏輯上分為信箱頭和信箱體兩部分。信箱頭中存放有關(guān)信箱的描述，信箱體由若干格子組成，每格存放一個信件，格子的數(shù)目和大小在創(chuàng)建信箱時確定。信件的傳遞可以是單向的，也可以是雙向的。第2章：進(jìn)程管理

3．消息通信中的同步問題

進(jìn)程間的消息通信隱含著某種同步關(guān)系：只有當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)送出消息之后，接收進(jìn)程才能接收消息。對于一個發(fā)送進(jìn)程來說，它在執(zhí)行發(fā)送原語后，有兩種可能選擇：（1）發(fā)送進(jìn)程阻塞，直到這個消息被接收進(jìn)程接收到，這種發(fā)送稱為阻塞發(fā)送。（2）發(fā)送進(jìn)程不阻塞，繼續(xù)執(zhí)行，這種發(fā)送稱為非阻塞發(fā)送。同樣，對于一個接收進(jìn)程來說，在執(zhí)行接收原語后，也有兩種可能選擇：（1）如果一個消息在接收原語執(zhí)行之前已經(jīng)被發(fā)送，則該消息被接收進(jìn)程接收，接收進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。（2）如果沒有正在等待的消息，則它或者阻塞到一個消息到達(dá)；或者繼續(xù)執(zhí)行，放棄接收的努力。前者稱為阻塞接收，后者稱為非阻塞接收。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.6進(jìn)程的安全性

2.6.1死鎖的概念2.6.2死鎖的預(yù)防2.6.3死鎖的避免2.6.4死鎖的解除與系統(tǒng)恢復(fù)

第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.6.1死鎖的概念所謂死鎖是指兩個或兩個以上的進(jìn)程因競爭系統(tǒng)資源而無休止地互相等待時，我們就稱這些進(jìn)程是死鎖的，或者說，它們處于死鎖狀態(tài)。死鎖問題是一種具有普遍性的現(xiàn)象，日常生活中屢見不鮮，如圖所示

第2章：進(jìn)程管理2.6.1死鎖的概念把產(chǎn)生死鎖的各種因素歸納起來，得到了產(chǎn)生死鎖的以下四個必要條件。（1）互斥條件：進(jìn)程訪問的是臨界資源，即一個資源一次只能被一個進(jìn)程所使用。（2）請求和保持條件：一進(jìn)程在請求新的資源的同時，保持對某些資源的占有。（3）不剝奪條件：一個資源僅能被占有它的進(jìn)程所釋放，而不能被其他進(jìn)程剝奪。（4）環(huán)路等待條件：存在一個進(jìn)程的環(huán)行鏈，鏈中每個進(jìn)程占有著某個或某些資源，又在等待被鏈中的另一個進(jìn)程所占有的資源。第2章：進(jìn)程管理2.6.1死鎖的概念解決死鎖的方法一般可分為三類：（1）預(yù)防死鎖。這種方法從上述的四個死鎖條件出發(fā)，通過設(shè)置一些限制來破壞其中的至少一個條件，從而預(yù)防死鎖。（2）避免死鎖。這種方法不是預(yù)先加上各種限制條件一預(yù)防產(chǎn)生死鎖的可能性，而是允許又逼近死鎖的可能性，但當(dāng)接近死鎖狀態(tài)時，采取一些有效的措施加以避免，使死鎖不至于最終發(fā)生。（3）檢測及系統(tǒng)恢復(fù)。它允許在系統(tǒng)運行過程中發(fā)生死鎖，但一旦發(fā)生便能立即檢測出來，然后采取適當(dāng)措施使系統(tǒng)恢復(fù)。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.6.2死鎖的預(yù)防

1．防止“請求和保持”條件的出現(xiàn)

系統(tǒng)要求任一進(jìn)程必須預(yù)先申請它所需要的全部資源，而且僅當(dāng)該進(jìn)程的全部資源要求都能得到滿足時。系統(tǒng)才給予一次性分配，然后啟動該進(jìn)程運行。進(jìn)程在整個生存期間，不再請求新的資源。因此“請求和保持”條件不會出現(xiàn)，死鎖也就不可能發(fā)生。第2章：進(jìn)程管理2.6.2死鎖的預(yù)防

2．防止“不剝奪”條件的出現(xiàn)

在允許進(jìn)程動態(tài)申請資源的前提下，規(guī)定一個進(jìn)程在請求新資源不能立即得到滿足而變?yōu)榈却隣顟B(tài)之前，它必須釋放己占有的全部資源；若需要，再更新申請新資源和已釋放的資源。換言之，一個進(jìn)程在使用某資源過程可以暫時放棄該資源，即允許其他進(jìn)程剝奪使用該資源，從而破壞了“不剝奪”條件的出現(xiàn)。

第2章：進(jìn)程管理2.6.2死鎖的預(yù)防

3．防止“環(huán)路等待”條件的出現(xiàn)

采用資源順序使用法，其基本思想是：把系統(tǒng)中所有資源按類型線性排隊，并按遞增規(guī)則賦予每類資源以惟一的編號。

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.6.3死鎖的避免

避免死鎖與預(yù)防死鎖的區(qū)別在于，預(yù)防死鎖是設(shè)法至少破壞產(chǎn)生死鎖的必要條件之一，嚴(yán)格地防止死鎖的出現(xiàn)。而避免死鎖則不那么嚴(yán)格地限制產(chǎn)生死鎖必要條件的存在（因為即使死鎖必要條件成立，也未必一定發(fā)生死鎖），一旦有可能出現(xiàn)死鎖時，就小心地避免死鎖的最終發(fā)生。

Dijkstra的銀行家算法是最著名的避免死鎖算法。銀行家算法允許存在死鎖的前三個必要條件，與預(yù)防死鎖的幾種策略相比，它放松了限制條件，提高了資源利用率。但它還比較保守，它要求系統(tǒng)資源數(shù)固定以及在一段時間內(nèi)進(jìn)程數(shù)也保持不變，還要求用戶事先提供資源的最大需求數(shù)。這些往往是不易做到的。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.6.4死鎖的解除與系統(tǒng)恢復(fù)

死鎖解除方法可歸納為以下兩種：（1）撤銷進(jìn)程法：這可以是撤銷所有死鎖進(jìn)程，或者逐個撤銷死鎖進(jìn)程，每撤銷一個進(jìn)程就檢測死鎖是否繼續(xù)存在，若不再存在，就停止撤銷。顯然，前者顯得比較武斷。但是采用逐個撤銷方法的一個關(guān)鍵問題是按照什么原則進(jìn)行撤銷，可以依據(jù)進(jìn)程優(yōu)先數(shù)，也可以依據(jù)最小代價原則。所謂最小代價是指撤銷路徑最短，即按該撤銷路徑所撤銷的進(jìn)程數(shù)最少，這需要較復(fù)雜的處理。（2）掛起進(jìn)程法：使用掛起／激活機構(gòu)掛起一些進(jìn)程，剝奪它們占有的資源以解除死鎖，待以后條件滿足時，再激活被掛進(jìn)程。問題是在掛起點激活比較困難，而要回退到掛起點之前某個狀態(tài)才能重新執(zhí)行，這需要保留多個現(xiàn)場，增加了開銷。目前，掛起進(jìn)程法比較受到重視，在IBM4300系列等機器上采用了這種方法。

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.7進(jìn)程的演化與進(jìn)展

2.7.1基本工作單位的控制粒度2.7.2線程的概念第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.7.1基本工作單位的控制粒度在Mach，WindowsNT等采用微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的功能發(fā)生了變化：它只是資源分配的單位，而不再是調(diào)度運行的單位。在微內(nèi)核系統(tǒng)中，真正調(diào)度運行的基本單位是線程。因此，實現(xiàn)并發(fā)功能的單位是線程。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.7.2線程的概念

1．線程的引入在操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程的目的是為了使多個程序并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利用率及系統(tǒng)吞吐量；那么，在操作系統(tǒng)中再引入線程，則是為了減少程序并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。

2．線程的定義

線程是進(jìn)程內(nèi)一個相對獨立、可調(diào)度的執(zhí)行單元。線程自己基本上不擁有資源，只擁有少量的在運行時必不可少的資源（如程序計數(shù)器、一組寄存器和棧），但它可以與同屬一個進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程擁有的全部資源。第2章：進(jìn)程管理2.7.2線程的概念

3．線程的實現(xiàn)

內(nèi)核級線程是指依賴于內(nèi)核，由操作系統(tǒng)內(nèi)核完成創(chuàng)建和撤銷工作的線程。用戶級線程是指不依賴于操作系統(tǒng)核心，由應(yīng)用進(jìn)程利用線程庫提供創(chuàng)建、同步、調(diào)度和管理線程的函數(shù)來控制的線程。

第2章：進(jìn)程管理2.7.2線程的概念

4．線程與進(jìn)程的比較由于進(jìn)程與線程密切相關(guān)，因此有必要對進(jìn)程與線程的異同進(jìn)行比較。（1）調(diào)度。（2）擁有資源。（3）并發(fā)性。（4）系統(tǒng)開銷。第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)2.8Linux的進(jìn)程管理2.8.1Linux進(jìn)程概述

2.8.2Linux進(jìn)程控制2.8.3Linux進(jìn)程通信第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.8.1Linux進(jìn)程概述

1．進(jìn)程實體的組成

Linux進(jìn)程由三部分組成：正文段、用戶數(shù)據(jù)段和系統(tǒng)數(shù)據(jù)段，如圖所示。第2章：進(jìn)程管理2.8.1Linux進(jìn)程概述

2．進(jìn)程的狀態(tài)進(jìn)程是一個動態(tài)的概念，在其運行的整個生命周期中可根據(jù)具體情況不斷改變其狀態(tài)。Linux進(jìn)程主要有如下幾種狀態(tài)：（1）可運行狀態(tài)（task_running）（2）等待狀態(tài)（3）暫停狀態(tài)（task_stopped）（4）僵死狀態(tài)（task_zomble）第2章：進(jìn)程管理第2章：進(jìn)程管理

3．Linux進(jìn)程控制塊task_struct的結(jié)構(gòu)描述

Task_struct結(jié)構(gòu)包含的信息如下：（1）進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)（2）調(diào)度信息（3）進(jìn)程標(biāo)識（4）進(jìn)程通信信息（5）進(jìn)程的家族關(guān)系（6）時間和定時信息（7）文件系統(tǒng)信息（8）存儲管理信息（9）CPU現(xiàn)場保留信息。

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)

3．Linux進(jìn)程控制塊task_struct的結(jié)構(gòu)描述

Linux內(nèi)核通過進(jìn)程task_struct結(jié)構(gòu)中的信息來進(jìn)行進(jìn)程的控制：首先通過其中的調(diào)度信息決定該進(jìn)程是否運行，當(dāng)進(jìn)程被調(diào)度在CPU上運行時，要根據(jù)task_struct結(jié)構(gòu)中保留的處理機現(xiàn)場來恢復(fù)進(jìn)程運行現(xiàn)場，再根據(jù)虛擬內(nèi)存信息定位進(jìn)程的正文和數(shù)據(jù)，并通過其中的通信信息和其他進(jìn)程實現(xiàn)同步與通信?？傊瑢M(jìn)程所有操作都要依賴task_struct結(jié)構(gòu)，task_struct結(jié)構(gòu)是進(jìn)程實體的核心，是進(jìn)程存在的惟一標(biāo)志。2.8.2Linux進(jìn)程控制

1．進(jìn)程創(chuàng)建

調(diào)用fork()的進(jìn)程稱為父進(jìn)程，通過fork()建立的新進(jìn)程稱為子進(jìn)程。系統(tǒng)執(zhí)行fork()時，首先為新進(jìn)程分配空閑的task_struct結(jié)構(gòu)和進(jìn)程標(biāo)識號（PID），為新進(jìn)程堆棧分配物理頁。然后，拷貝當(dāng)前進(jìn)程（父進(jìn)程）的內(nèi)容：正文段、用戶數(shù)據(jù)段及系統(tǒng)數(shù)據(jù)段task_struct大部分內(nèi)容，對子進(jìn)程有別于父進(jìn)程的項進(jìn)行初始化。新進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)地址保存在task指針數(shù)組中。

2．進(jìn)程映像的交換子進(jìn)程創(chuàng)建后，繼承了父進(jìn)程的地址空間。在UNIX中，父進(jìn)程的正文和數(shù)據(jù)拷貝給了子進(jìn)程，子進(jìn)程為了和父進(jìn)程完成不同的任務(wù)，利用exec()系統(tǒng)調(diào)用裝載新的程序映像，放棄從父進(jìn)程那里拷貝過來的內(nèi)容。

第2章：進(jìn)程管理2.8.2Linux進(jìn)程控制

3．等待進(jìn)程結(jié)束當(dāng)父進(jìn)程用fork()創(chuàng)建子進(jìn)程后，子進(jìn)程往往通過exec()轉(zhuǎn)去執(zhí)行新裝載的程序映像。父進(jìn)程可用系統(tǒng)調(diào)用wait()等待它的一個子進(jìn)程的結(jié)束，wait()的參數(shù)指定了父進(jìn)程等待的子進(jìn)程。如果子進(jìn)程尚未終止(未完成任務(wù))，則父進(jìn)程掛起，一旦等到指定的子進(jìn)程結(jié)束，父進(jìn)程被喚醒，即可繼續(xù)再做其他工作。

4．進(jìn)程終止當(dāng)需要一個進(jìn)程結(jié)束或進(jìn)程希望終止自己時，可通過系統(tǒng)調(diào)用exit()來實現(xiàn)。Exit()首先釋放進(jìn)程占用的大部分資源，進(jìn)入“task_zomb”狀態(tài)，并返回一個狀態(tài)參數(shù)，父進(jìn)程執(zhí)行wait()時，可取得該參數(shù)，使等待子進(jìn)程結(jié)束的父進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行。第2章：進(jìn)程管理2.8.2Linux進(jìn)程控制

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)圖2-20shell執(zhí)行流程2.8.3Linux進(jìn)程通信

1．信號機制信號是Linux最基本的進(jìn)程通信機制。信號機制的一個主要特點是它的異步特性，這表現(xiàn)在進(jìn)程在執(zhí)行期間可隨時接收到信號，甚至可能當(dāng)進(jìn)程正在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時接收信號。（1）信號類型（2）信號處理方式（3）信號的發(fā)送（4）信號的檢測和處理第2章：進(jìn)程管理2.8.3Linux進(jìn)程通信

2．管道機制

管道是實現(xiàn)進(jìn)程間大容量信息傳送的機構(gòu)。（1）匿名管道匿名管道由pipe()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建，其原型為：intpipe(intfd[2])（2）命名管道（FIFO文件）

Linux還支持另外一種管道形式，命名管道。命名管道操作方式是按先進(jìn)先出方式傳送信息也稱為FIFO文件。FIFO文件和匿名管道的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及操作極其相似，二者主要區(qū)別在于FIFO文件是按名存取文件，在使用之前就已經(jīng)存在，用戶可打開或關(guān)閉FIFO文件。而匿名管道只在操作時存在，是臨時對象。另外，命名管道容許具有適當(dāng)權(quán)限的進(jìn)程利用標(biāo)準(zhǔn)的open()系統(tǒng)調(diào)用加以訪問，即使是無關(guān)系的進(jìn)程。而父進(jìn)程不同的進(jìn)程難以共享匿名管道。

第2章：進(jìn)程管理2.8.3Linux進(jìn)程通信

第2章：進(jìn)程管理匿名管道由pipe()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建，其原型為：intpipe(intfd[2])2.8.3Linux進(jìn)程通信

3．SystemV的進(jìn)程通信機制

為了與其他系統(tǒng)兼容，Linux支持三種SystemV進(jìn)程通信機制：消息機制、信號量機制和共享內(nèi)存機制。一般把信號量、消息和共享內(nèi)存機制統(tǒng)稱為SystemVIPC機制，而把信號量、消息和共享內(nèi)存統(tǒng)稱為SystemVIPC對象。Linux對三種機制的實施大同小異。上述對象都具有相同類型的接口（即系統(tǒng)調(diào)用），因此，只討論其中最快的一種形式：共享內(nèi)存機制。

第2章：進(jìn)程管理2.8.3Linux進(jìn)程通信

第2章：進(jìn)程管理返回到本節(jié)圖2-22共享內(nèi)存段的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系2.9Windows2000/XP的進(jìn)程管理2.9.1Windows2000/XP進(jìn)程管理2.9.2Windows2000/XP線程管理2.9.3Windows2000/XP的進(jìn)程互斥與同步2.9.4Windows2000/XP進(jìn)程間的通信2.9.5Windows2000/XP的線程調(diào)度第2章：進(jìn)程管理返回到本章2.9.1Windows2000/XP進(jìn)程管理

1．Windows2000/XP進(jìn)程的組成

Windows2000/XP進(jìn)程包括以下內(nèi)容：（1）一個可執(zhí)行程序。（2）一個由該進(jìn)程專用的地址空間，它是該進(jìn)程可以使用的虛擬內(nèi)存地址的集合。（3）系統(tǒng)資源，例如信號量、通信端口、文件等。它們是由程序執(zhí)行的，由操作系統(tǒng)分配給該進(jìn)程。（4）一個或多個線程。在Windows2000/XP中每個進(jìn)程是由一個進(jìn)程環(huán)境塊（processenvironmentblock，PEB）結(jié)構(gòu)描述，系統(tǒng)內(nèi)核外是看不到PEB的。第2章：進(jìn)程管理2.9.1Window