進(jìn)程控制：進(jìn)程的創(chuàng)建、終止、阻塞、喚醒和切換

2019-11-08 02:04:13

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供稿：網(wǎng)友

進(jìn)程控制的主要功能是對系統(tǒng)中的所有進(jìn)程實(shí)施有效的管理，它具有創(chuàng)建新進(jìn)程、撤銷已有進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換等功能。在操作系統(tǒng)中，一般把進(jìn)程控制用的程序段稱為原語，原語的特點(diǎn)是執(zhí)行期間不允許中斷，它是一個(gè)不可分割的基本單位。

進(jìn)程的創(chuàng)建

允許一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建另一個(gè)進(jìn)程。此時(shí)創(chuàng)建者稱為父進(jìn)程，被創(chuàng)建的進(jìn)程稱為子進(jìn)程。子進(jìn)程可以繼承父進(jìn)程所擁有的資源。當(dāng)子進(jìn)程被撤銷時(shí)，應(yīng)將其從父進(jìn)程那里獲得的資源歸還給父進(jìn)程。此外，在撤銷父進(jìn)程時(shí)，也必須同時(shí)撤銷其所有的子進(jìn)程。在操作系統(tǒng)中，終端用戶登錄系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度、系統(tǒng)提供服務(wù)、用戶程序的應(yīng)用請求等都會(huì)引起進(jìn)程的創(chuàng)建。操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的過程如下（創(chuàng)建原語)：為新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識號，并申請一個(gè)空白的PCB(PCB是有限的)。若PCB申請失敗則創(chuàng)建失敗。為進(jìn)程分配資源，為新進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)、以及用戶棧分配必要的內(nèi)存空間（在PCB 中體現(xiàn)）。注意：這里如果資源不足（比如內(nèi)存空間），并不是創(chuàng)建失敗，而是處于”等待狀態(tài)“，或稱為“阻塞狀態(tài)”，等待的是內(nèi)存這個(gè)資源。初始化PCB,主要包括初始化標(biāo)志信息、初始化處理機(jī)狀態(tài)信息和初始化處理機(jī)控制信息，以及設(shè)置進(jìn)程的優(yōu)先級等。如果進(jìn)程就緒隊(duì)列能夠接納新進(jìn)程，就將新進(jìn)程插入到就緒隊(duì)列，等待被調(diào)度運(yùn)行。

進(jìn)程的終止

引起進(jìn)程終止的事件主要有：正常結(jié)束，表示進(jìn)程的任務(wù)已經(jīng)完成和準(zhǔn)備退出運(yùn)行。異常結(jié)束是指進(jìn)程在運(yùn)行時(shí)，發(fā)生了某種異常事件，使程序無法繼續(xù)運(yùn)行，如存儲(chǔ)區(qū)越界、保護(hù)錯(cuò)、非法指令、特權(quán)指令錯(cuò)、I/O故障等。外界干預(yù)是指進(jìn)程應(yīng)外界的請求而終止運(yùn)行，如操作員或操作系統(tǒng)干預(yù)、父進(jìn)程請求和父進(jìn)程終止。操作系統(tǒng)終止進(jìn)程的過程如下（撤銷原語）：根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識符，檢索PCB，從中讀出該進(jìn)程的狀態(tài)。若被終止進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)，立即終止該進(jìn)程的執(zhí)行，將處理機(jī)資源分配給其他進(jìn)程。若該進(jìn)程還有子進(jìn)程，則應(yīng)將其所有子進(jìn)程終止。將該進(jìn)程所擁有的全部資源，或歸還給其父進(jìn)程或歸還給操作系統(tǒng)。將該P(yáng)CB從所在隊(duì)列（鏈表）中刪除。

進(jìn)程的阻塞和喚醒

正在執(zhí)行的進(jìn)程，由于期待的某些事件未發(fā)生，如請求系統(tǒng)資源失敗、等待某種操作的完成、新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)或無新工作做等，則由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語(Block)，使自己由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。可見，進(jìn)程的阻塞是進(jìn)程自身的一種主動(dòng)行為，也因此只有處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程（獲得CPU），才可能將其轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)。阻塞原語的執(zhí)行過程是：找到將要被阻塞進(jìn)程的標(biāo)識號對應(yīng)的PCB。若該進(jìn)程為運(yùn)行狀態(tài)，則保護(hù)其現(xiàn)場，將其狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻塞狀態(tài)，停止運(yùn)行。把該P(yáng)CB插入到相應(yīng)事件的等待隊(duì)列中去。當(dāng)被阻塞進(jìn)程所期待的事件出現(xiàn)時(shí)，如它所啟動(dòng)的I/O操作已完成或其所期待的數(shù)據(jù)已到達(dá)，則由有關(guān)進(jìn)程（比如，提供數(shù)據(jù)的進(jìn)程）調(diào)用喚醒原語(Wakeup)，將等待該事件的進(jìn)程喚醒。喚醒原語的執(zhí)行過程是：在該事件的等待隊(duì)列中找到相應(yīng)進(jìn)程的PCB。將其從等待隊(duì)列中移出，并置其狀態(tài)為就緒狀態(tài)。把該P(yáng)CB插入就緒隊(duì)列中，等待調(diào)度程序調(diào)度。需要注意的是，Block原語和Wakeup原語是一對作用剛好相反的原語，必須成對使用。 Block原語是由被阻塞進(jìn)程自我調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，而Wakeup原語則是由一個(gè)與被喚醒進(jìn)程相合作或被其他相關(guān)的進(jìn)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。

進(jìn)程切換

對于通常的進(jìn)程，其創(chuàng)建、撤銷以及要求由系統(tǒng)設(shè)備完成的I/O操作都是利用系統(tǒng)調(diào)用而進(jìn)入內(nèi)核，再由內(nèi)核中相應(yīng)處理程序予以完成的。進(jìn)程切換同樣是在內(nèi)核的支持下實(shí)現(xiàn)的，因此可以說，任何進(jìn)程都是在操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持下運(yùn)行的，是與內(nèi)核緊密相關(guān)的。進(jìn)程切換是指處理機(jī)從一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行轉(zhuǎn)到另一個(gè)進(jìn)程上運(yùn)行，這個(gè)過程中，進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的變化。進(jìn)程切換的過程如下：保存處理機(jī)上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。更新PCB信息。把進(jìn)程的PCB移入相應(yīng)的隊(duì)列，如就緒、在某事件阻塞等隊(duì)列。選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，并更新其PCB。更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。恢復(fù)處理機(jī)上下文。注意，進(jìn)程切換與處理機(jī)模式切換是不同的，模式切換時(shí)，處理機(jī)邏輯上可能還在同一進(jìn)程中運(yùn)行。如果進(jìn)程因中斷或異常進(jìn)入到核心態(tài)運(yùn)行，執(zhí)行完后又回到用戶態(tài)剛被中斷的程序運(yùn)行，則操作系統(tǒng)只需恢復(fù)進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核時(shí)所保存的CPU現(xiàn)場，無需改變當(dāng)前進(jìn)程的環(huán)境信息。但若要切換進(jìn)程，當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程改變了，則當(dāng)前進(jìn)程的環(huán)境信息也需要改變。

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