电路设计

进程管理这点破事

2019-07-14 09:45发布

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 进程是操作系统资源分配和独立运行的基本单位，操作系统，我们可以看做是一个工厂，那进程就是工厂中的车间，线程就如车间中的工人，一个车间有很多工人，那么，一个进程由很多线程组成。进程控制块PCB被称为是进程的唯一标识，这就好比是一个车间的车间主任，他所代表的是进程的描述信息，控制信息以及进程的资源信息；所谓创建进程就是创建一个PCB，撤销一个进程就是撤销一个PCB。正由于PCB的特殊性（经常被系统访问），因此需要常驻内存。
     进程的特征有：结构特征（程序+数据+PCB）；动态性（产生→执行→消亡）；并发性（多个进程同时执行）；独立性（PCB决定了该特征）；异步性（进程往往按各自独立的，不可预知的速度执行，导致结果的不可再现性）。
     例：进程A：N+1
         进程B：print（N）；N：=0；
         N的初值为1；
         有三种情况：N+1在print（N）和N：=0之前，N的值是：2，2，0                      N+1在print（N）和N：=0之间，N的值是：1，2，0；
                     N+1在print（N）和N：=0之后，N的值是：1，0，1；
从上面的结果可以看出，由于共享了N变量，导致了结果的不同，即不可再现性。解决办法见下述
     进程管理中最基本的功能是进程控制，而进程控制一般是由OS内核中的原语来完成；所谓原语就是指由若干条指令组成，完成一个特定功能的过程，我的理解他就是一个特殊的进程，类似于工厂的老板，由他对进程（或者说是PCB）进行控制和通信。原语的特点就是要么全做，要么全不做，执行过程中不允许被打断。
    进程之间的关系要么是竞争（互斥），要么就是合作（同步）。
    竞争关系（进程-资源-进程），系统有一个共享资源，比如说是打印机，A和B都要用。A先向系统提出请求并得到该资源使用，B此时只能将自己阻塞，等待A释放后，B由阻塞态转换为就绪态，得到打印机资源使用；这种关系不加控制的话，会导致B陷入“死等”状态、“忙等”状态
    合作关系（进程-buffer-进程-资源），比如说B要把A的结果，打印出来，那么该过程表示为：A向缓冲区buffer放一个数据，B从中取出打印。buffer为空时，B阻塞等待A将之唤醒，buffer不为空时，A阻塞等待B将之唤醒。
    临界资源指一段时间内，只允许一个进程访问的资源。临界区CS是指访问临界资源的那段代码（我的理解：如果说临界资源是一个房间的话，那临界区就是房牌）。上面例子中的不可再现性解决办法就是把N当做临界资源来访问。即定义N为锁变量
     while N==1；//空循环，1表示等待
     N=1；//相当于把房牌放在房间外，告诉他人等我用完，你才可以使用
     //这是进入区
     CS；
     //这是对临界资源进行访问
     N==0；//0表示空闲
     //这是退出区
  从上可以总结出同步机制的四条准则：空闲让进（N=0时，进程进入CS）；忙则等待（N=1时，表示临界资源正被访问）；有限等待（进程进入CS的这个请求在有限时间内满足，以免“死等”）；
  上述策略没有从根本上解决互斥访问的问题，没有执行让权等待，也不是原语操作，因此执行过程中可能中断。
  让权等待（进程不能进入CS时，马上释放CPU资源，以免“忙等”）
  为了解决上面的问题，出现了信号量（Semaphores），它与变量的区别是：只能有赋值、P操作、V操作这三种，不能用表达式(如：S=S+1)。
  整形信号量定义了一个表示可用资源数目的整型量S（这个整型量只有原语才能访问），他解决互斥问题的操作为：
   wait（S）：//也叫P操作或者减1操作
             while S<=0 do no-op ；//重复检测，直到S>0,有了可用的资源
             S:=S-1; 
             //这是进入区
   signal（S）：//也叫V操作或者加1操作
             S:=S+1;
            //这是退出区 
   这种信号量也没有解决“忙等”的问题，只是把普通的操作变成了原语操作，保证了执行过程中不可中断。
   记录型信号量彻底解决了忙等的问题。类似于C++中的结构体类型，他定义了一个记录型的变量。具体实现操作如下：
    type semaphore =record //定义一个记录型变量 semaphore
                    value：integer；//当前可用的资源数目
                    L：list of process;//阻塞进程队列
    end
    procedure wait（S)
              var S: semaphore;//S是semaphore
              begin
              S.value = S.value-1;
              if S.value < 0 then block (S.L);
              //先减1后判断，注意，小于0才阻塞，等于0时，剩下最后一个可用的资源，由此（block操作）可见，执行了让权等待。
              CS
              end 
    procedure signal （S）
              var S :semaphore;
              begin
              S.value = S.value + 1;
              if S.value < = 0 then wakeup (S.L)
              //先加1后判断，若小于等于0，表示阻塞队列中有进程等待刚释放资源的进程来唤醒他进入CS区
              CS
              end
   这种信号量针对的是进程只共享一种临界资源的情况，假如，现在有两个进程X、Y，他俩都要求必须得到A、B这两个资源才执行；那么就出现了下面的情况：X的得到的A资源，但B资源被Y抢占了，X说：Y你把B释放，让我先用；Y就说：凭什么我释放B资源，你把A释放，我先用，用完你再用。这就产生了一个新词：“死锁”。解决办法就是引进---AND型信号量。这种信号量的基本思想是：系统将进程要用的资源一次性全分配给他，使用完之后一起释放，简单的说，就是要么全给你，要么一个也不给你。
   综上，信号量可以实现进程间的竞争关系或者叫互斥。实现办法就是定义一个互斥信号量mutex，并设其初值为1。
    var mutex：semaphore：=1；
        begin 
    wait（mutex）；//减1操作，P操作
    CS
    signal（mutex）；//加1操作，V操作
从上可以看出，wait（mutex）和signal（mutex）必须是成对出现的，少了P操作，就不能实现互斥访问，少了V操作，临界资源就得不到释放，等待该资源的阻塞进程就得不到唤醒。这种信号量叫互斥信号量
    利用信号量实现进程间的合作关系或者叫同步。比如A向缓冲区buffer放一个数据，B从中取出打印。buffer为空时，B阻塞等待A将之唤醒，buffer不为空时，A阻塞等待B将之唤醒。这个过程我们可以设置两个信号量empty和full；empty的初值设为1，full的初值设为0
   A：wait（empty）；
      buffer
      signal（full）；
   B：wait （full）；
      buffer
      signal （empty）； 
从上可以看出，wait（）、signal（）分属于不同的进程，这种信号量叫私有信号量。
     这种信号量，由于分布在各个进程当中，给系统的管理带来了麻烦，导致系统死锁。为了解决该问题，引进了---管程。
     管程供进程调用，可以看做是工厂的公用会议室，供车间使用。
附例：下图的实现可以表示成 图片  有7条有向边，故定义7个信号量a，b，c，d，e，f，g,并设其初值都为0。
     var a,b,c,d,e,f,g:semaphore: =0,0,0,0,0,0,0;
     begin
          begin S1;signal (a);signal (b);end;
          begin wait (a);S2;signal (c);signal (d);end;
          begin wait (b);S3;signal (e);end;
          begin wait (c);S4;signal (f);end;
          begin wait (d);S5;signal (g);end;
          begin wait (e);wait (f);wait (g);S6;end
     end 
 

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