弄懂“进程”(下)：进程的控制、同步和通信

进程控制

是进程管理的主要功能，负责创建和终止进程、进程执行过程中的状态转换。

由操作系统内核通过原语实现。

1.OS内核

常驻内存的、紧靠硬件的软件层次，运行在系统态(又称管态、内核态)，以免遭到用户程序的破坏。

主要包括：一些与硬件紧密相关的模块(如中断处理程序)，各种常用设备的驱动程序，运行频率较高的模块(如时钟管理、进程调度和许多模块所公用的一些基本操作)。

2.原语

由若干条指令组成，用来执行某个特定操作。

其执行具有原子性，即执行过程中不允许被中断。

常驻内存，且在系统态下执行。

3.进程的创建

创建子进程的进程被称为父进程，子进程又可以创建子进程，形成进程图。

进程创建原语完成，其主要任务是创建PCB。

具体过程：从PCB集合申请空闲的PCB，然后为新进程分配内存等资源，再根据父进程提供的参数和分配到的资源情况对PCB进行初始化，然后将新进程插入就绪队列。

4.进程的终止

发生在进程完成任务或遇到异常情况和外界干预需要结束时。

进程终止原语完成，实质是回收PCB。

具体过程：找到待终止进程的PCB，终止执行，设置重新调度标志，终止其一切子孙进程，释放全部资源，移出队列，回收PCB。

5.进程的阻塞和唤醒

当正在执行的进程需要等待某种事件的完成或本身无新工作可做：

执行状态+阻塞原语=阻塞状态

当阻塞进程等待的事情完成了：

阻塞状态+唤醒原语=就绪状态

6.进程的挂起与**

活动阻塞状态+挂起原语=静止阻塞状态

活动就绪状态/执行状态+挂起原语=静止就绪状态

静止阻塞状态+**原语=活动阻塞状态

静止就绪状态+**原语=活动就绪状态

进程同步

和进程并发要区分开，进程同步是指对多个相关进程在执行次序上进行协调。

使得系统中诸进程可以按照一定的规则(或者时序)，共享资源或相互合作，从而使得程序的进程具有可再现性。

用来实现同步的机制被称作同步机制。

1.进程间的两种相互制约关系

间接：两个进程之间要共享相同的资源，一个正在占用，另一个则处于阻塞状态，只有等前者释放后者才被唤醒。

直接：两个进程有合作，比如D等着C向缓冲里面放数据，缓冲里没数据，D就阻塞着，缓冲已经满了，C就阻塞。

2.临界资源和临界区

临界资源：一次只允许被一个进程使用的资源。如打印机、共享变量。

临界区：访问临界资源的那段代码。

要想互斥地使用临界资源，就要保证进程互斥地进入临界区。

措施：临界区前面加一段代码，称为进入区，可用来检查对应资源是否正在被其他进程访问，相应地，临界区后面有一段退出区，用来将临界区从正被访问的标识恢复为未被访问的标识。

3.同步机制遵循的4条规则

空闲让进。当临界资源空闲就要允许请求进入临界区使用临界资源的进程进入。

忙则等待。和上一条相对。

有限等待。避免“死等”，任何请求进入临界区的进程要在有限时间内进入。

让权等待。避免“忙等(白等)”，不能进入临界区的进程要立即释放CPU。

4.信号量机制

是一种同步机制，发展历程：整型信号量->记录型信号量->信号量集。

整型信号量

是非负的、共享的整数，用来表示一类临界资源的数目。

只在三种情况下改变：初始化，P操作，V操作。

P操作即wait

wait(S){
    while(S<=0);
    S--;
}

只要S小于0，wait操作就会不断地测试，不符合让权等待原则。 

V操作即signal，表示释放资源

signal(S){
    S++;    
}

记录型信号量

除了有整型表示资源量，还有一个进程链表指针，连接所有等待该类资源的进程。

符合让权等待原则，主要是因为有block原语，当资源量小于0的时候，调用这个原语自我阻塞，将PCB插入信号量等待队列中。 

应用

1.实现前驱关系

要是有Pi->Pj，即进程Pi是Pj的直接前驱，Pj必须在Pi完成后才能进行

可以设置初值为0的公共信号量S，在Pi后面加Signal(S)，在Pj前面加wait(S)。

2.实现多个进程互斥地访问某临界资源

设置初值为1的互斥信号量mutex，在每个进程的临界区前后分别加wait(mutex)和signal(mutex)。

5.经典进程同步问题

生产者-消费者

哲学家进餐

读者-写者

进程通信

根据信息量多寡和通信效率高低将进程通信分为低级和高级。

前面提到的互斥进制和共享存储器系统属于低级通信。

1.共享存储器系统

通过读写共享存储区来交换数据。

2.管道通信

管道指连接了两个进程的共享文件。管道是临界资源。必须采用互斥机制。

3.消息传递系统

数据交换以格式化的消息为单位。

分为直接和间接两类。

所谓直接，就是源进程直接把消息发送给目的进程。

所谓间接，就是在收发进程间引入了信箱，这样通信可以是非实时的。

4.C/S系统

分为套接字、远程过程调用、远程方法调用。

5.消息缓冲队列通信机制

媒介：内存中公用的消息缓冲区

对应第三小节中的直接通信

最重要的数据结构是消息缓冲区，可以描述为

struct message_buffer{
    int sender;//发送进程的标识符
    int size;//消息长度
    char *text;//消息正文
    struct message_buffer *next;//指向下一消息缓冲区的指针
}

PCB中需要加入一下数据项

mq:消息缓冲队列队首指针

mutex:消息缓冲队列的互斥信号量

sm:消息缓冲队列的资源信号量

OS会提供发送原语send和接收原语receive。

参考： 《计算机操作系统(第四版)--学习指导与题解》 梁红兵 汤小丹 汤子瀛