学习日期：2024.6.30

内容摘要：进程控制的概念，进程控制相关的“原语”，进程通信

---

进程控制

原语

进程控制用“原语”实现。原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性，也就是说，这段程序的执行必须一气呵成，不能中断。

Q:为什么进程控制（状态转换）的过程必须一气呵成？

如果不能一气呵成，可能会出现某些进程的关键数据结构信息不统一的情况，会影响操作系统进行别的管理工作。

Q:原子性是如何实现的？

利用了“关中断指令”和“开中断指令”两个特权指令来实现原子性，CPU执行了关中断指令后，就不会再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查，从而达到独占CPU的目的。

进程的创建

创建原语（操作系统创建一个进程时使用的原语）会申请空白PCB，为新进程分配所需资源，初始化PCB，将PCB插入就绪队列（创建态->就绪态）

引起进程创建的事件：

①用户登录：分时系统中，用户登陆成功，系统会为其建立一个新的进程。

②作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立新进程。

③提供服务：用户向操作系统提出请求时，会新建一个进程处理请求。

④应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程。

进程的终止

撤销原语（操作系统终止一个进程时所使用的原语）会从PCB集合中找到终止进程的PCB，若进程正在运行，立刻剥夺CPU，同时将CPU分配给其它进程。终止其所有子进程，将该进程所拥有的所有资源归还给父进程或操作系统，最后删除PCB

引起进程终止的事件：

①正常结束：进程自己请求终止。

②异常结束：整数除以0，非法使用特权指令被操作系统强行杀死。

③外界干预：出于某种原因，用户使用任务管理器等方式杀死进程。

进程的阻塞

阻塞原语可以让进程从运行态变为阻塞态。阻塞原语会找到要阻塞的进程对应的PCB，保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态”，暂时停止进程运行，最后将PCB插入相应事件的等待队列。

引起进程阻塞的事件：

①等待：需要等待系统分配某种资源，或需要等待互相合作的其它进程完成工作

进程的唤醒

唤醒原语可以让进程从就绪他转换为运行态，唤醒原语会在等待队列中找到待唤醒进程的PCB，将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态，将PCB插入就绪队列，等待被调度

引起进程唤醒的事件：

①进程因何事被阻塞，就应当由何事被唤醒，阻塞原语和唤醒原语必须是成对使用的。

进程的切换

切换原语会让进程在运行态和就绪态之间切换。切换原语会将进程的运行环境信息存入PCB，然后将PCB移入相应队列（就绪/运行），选择另一个进程执行，并更新其PCB，根据PCB恢复新进程所需的运行环境。

引起进程切换的事件：

①当前进程的时间片到。 ②有更高优先级的进程到达。③当前进程主动阻塞。④当前进程终止。

共性

无论是哪个进程控制原语，要做的无非是三类事情：

①更新PCB中的信息（修改进程状态，保护/恢复运行环境）。

②将PCB插入合适的队列。

③分配/回收资源。

什么叫“进程的运行环境”？

我们在前面提到过很多次“保存运行环境”，其实就是保存寄存器中的指令和值，在进程切换时，先在PCB中保存这个进程的运行环境（保存如PC，IR，通用寄存器等信息）然后当原来的进程再次运行时，可以通过PCB快速的恢复它的运行环境。

---

进程通信

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是指两个进程之间产生数据交互。

你在刷b站的过程中看到一个有意思的视频，想把它分享给你的好朋友，会点击视频下面的转发按钮，然后选择你的微信好友，视频就发出去了，但是正在运行的bilibili和微信显然不是同一个进程，那是怎么发出去的呢？这就是进程之间发生了通信。

为什么进程的通信需要操作系统支持？

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

如果两个进程P和Q之间需要通信，显然进程P是不能直接把数据写到Q的地址空间的，所以需要借助操作系统的帮助。下面介绍共享存储、消息传输、管道通信三种进程通信方式。

共享存储

共享存储的原理是，进程可以申请一片共享存储区，这片共享存储区其它的进程也可以访问，所有要进行交换的数据就可以放在这片区域，从而完成进程间通信。通过增加页表项/段表项即可将同一片共享内存区域映射到各个进程的地址空间当中。

为避免写覆盖，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。（避免P正在该区域写，此时Q也在同一区域写，覆盖了P写的内容）

基于存储区的共享

操作系统在内存中划出一块共享存储区域，数据的形式、存放的位置都由通信进程控制，而不是操作系统，这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。

基于数据结构的共享

比如说共享空间内只能放一个长度为100的数组，这个数组能在各个进程之间共享访问，这种共享方式速度慢限制多，是一种低级通信方式。

消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位，进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

直接通信方式

在操作系统的内核区域中，进程Q的PCB中会有一个进程Q的消息队列。进程P给进程Q发送消息时，进程P在自己的区域中初始化消息，然后使用发送原语，send（Q,msg），这会使得操作系统接收到了这个消息，把这个消息复制到进程Q的消息队列当中。进程Q在运行时，可以使用接收原语，receive（P，&msg），操作系统查找Q的消息队列，发现P发来的信息，再把消息队列当中的msg放到进程Q的地址空间当中。

间接通信方式

进程可以向操作系统申请一个（或多个）邮箱，保存在操作系统内核地址空间当中。当进程P准备给Q发送信息时，进程P首先在自己的地址空间内给自己要发送的消息赋值（好比先写好信），然后使用发送原语（A，msg）往信箱A发送消息msg。注意！此时与直接通信方式的区别是，不声明自己消息要发给谁，而是发送给信箱，以信箱作为中间实体进行传递。

之后，进程Q通过接收原语，receive（A，&msg）从信箱A接受消息。

同现实中的信箱一样，多个进程可以在同一个信箱send或receive消息。

管道通信

水管当中的水流一定是单向的，管道通信也是如此，我们只能从一端写数据，一端读数据。

“管道”（pipe）是一个特殊的共享文件，其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区，其与共享存储的根本区别是：共享内存的P、Q进程都可以在共享存储区当中自由读写数据，但管道是单向的，P只能向管道里写数据，Q只能读数据，且管道中的数据满足先进先出的特征，Q不是想读哪个就读哪个，而是按照P发送的顺序来读。

①管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输（管道可以倒过来，但是不能同时来回传）。如果需要双向同时通信（全双工通信），则需要建立两个管道。

②各个进程要互斥的访问管道（由操作系统实现）

③因为管道的大小是固定的，当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。同理，当管道读空时，读进程将堵塞，直到写进程往管道中写入数据。

④管道中的数据一旦被读出，就彻底消失，因此当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案：

1.一个管道允许多个写进程，但是只能有一个读进程（多个进水口，一个出水口）

2.允许有多个写进程和多个读进程，但是系统会让各个读进程轮流读数据（多个出水口，但不准同时打开）（Linux的方案）

---

 内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》