操作系统学习笔记（一）

操作系统是计算机类专业比较重要的一门课程，所以，希望用csdn来记录自己学习过程中的一些点滴。

本篇文章整理操作系统中，关于进程的一部分内容。

首先，什么是操作系统？操作系统是为了达到方便用户和提高资源利用率为目的而设计的，控制和管理计算机硬件和

软件资源，合理的组织计算机工作流程的程序的集合。

操作系统的特征：并发、共享、虚拟、异步。

并发性是指两个或者两个以上的操作在同一时间间隔内发生。（宏观上，感觉几个操作时同一时间发生，就是所谓的

并行性，微观上，几个操作并不是同一时间发生，而是并发性）

共享：系统中的资源供内存中多个并发执行的进程共同使用，包括硬件共享和软件共享。其中的硬件共享一般是互斥

共享，比如在多道批处理系统中，多个进程共享cpu为互斥共享。当多个进程同时读取内容时，即就是进行读操作

时，这样的共享为软件共享。共享与并发互为存在条件，共享是以并发为条件，共享影响并发。

虚拟：通过 一定的技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。（内存足够大时不需要虚拟）

异步：在多道程序下，进程是以异步的方式进行，即就是走走停停，当遇到输入输出语句时，将当前程序的信息写进

pcb里（之后解释），然后就会释放cpu，供别的进程使用。。

程序的执行分为顺序执行和并发执行。这里我们先来引入一个概念：前趋图。

前趋图，是有向无环图，结点是用来表示操作、语句、程序段或者进程 ；边，表示操作之间的关系，偏序或者前趋关

系。

顺序执行程序设计：与操作的静态描述 一样，即就是按照描述的顺序一步一步执行。

举例：(注明：下文中出现的代码只会出现核心语句，所谓的变量的定义等语句不会给出。)

a = 3;b = a+1;c = b+5;

这个就是顺序执行的程序，先计算a，接着是b，然后是c。所以，这是表明了顺序程序设计的特点：顺序性、封闭性

（指的是资源的封闭）、可再现性（指的是结果）。

并发执行程序设计：与操作的静态描述不一定一致。下边的举例（程序段中的并发执行）：

d = 2;a = d+2;b = 5;c = a+b;

假设给以上四句语句编号，分别为1,2,3,4.所以这个程序的执行顺序就会有以下几种：1,2,3,4和1,3,2,4和3,1,2,4这三

种。只有第一种与操作的静态描述一致。下边看一个多道程序环境下的程序的并发实例：

int  n = 0;//程序An = n+2;//程序Bprintf("%d",n);n = 1;

这个实例中，执行顺序不同就会导致最终的n值不同。这样 就导致了结果的不可再现性，以及失去资源的封闭性（同

名变量会被多个进程改写），当然并发执行最显著的特征就是：间断性（走走停停）。

所以，我们总结：并发出现结果可再现的情况：多个进程中没有同名变量；多个进程都是读操作。

当两个进程都是执行读操作，他们才能够并发执行（既能使资源封闭，又能使结果可再现），这就是所谓的Bernstein

条件。然而这个判断也是需要耗时的，为了解决这个问题，我们引入了进程的概念。

进程：是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和处理机调度的一个独立单位。

进程 = 程序段+数据段+PCB（程序段和数据段是进程的静态部分，PCB是进程的动态部分）

进程与程序的区别：

进程是一个动态的概念，程序是一个静态的概念；进程具有并发性，而程序没有；进程是资源分配和处理机调度的独

立单位，并发性受系统的制约；一个程序多次执行，对应多个进程；不同的进程可以包含同一程序。

进程的三种基本的状态：

就绪状态（等处理机）、执行状态（用处理机）、阻塞状态（等事件）。这三种状态都是活动状态。

基本状态图如下：

具有挂起操作的进程状态的演变：

为什么会引入挂起？系统的负荷调节，对换的需要（缓解内存的紧张，实现内存的虚拟扩充，作业由内存会到外存）

所谓的挂起，就是指使正在活动的进程（执行状态、就绪状态或者阻塞状态）处于静止状态，此时系统回收这些进程

占用的内存资源。

下边给出状态演变图：

进程控制块PCB：PCB是进程存在的唯一标志。主要用于保存程序运行过程中的现场信息（中断时，保存现场以及下

一条语句的起始地址等），所以PCB应该常驻内存。

PCB其实是一个结构体，组织方式有2种：链接方式、索引方式。

进程控制：是对系统中所有进程的声明历程实施控制，是管理进程生灭及状态转换的程序的集合。

进程控制是通过操作系统内核实现，操作系统内核又是通过原语实现。

原语：由若干条机器指令构成的，完成特定功能的一段程序，其执行过程不可分割。<类似于高级语言中的函数>

进程控制原语：

进程的创建、终止；进程的阻塞、唤醒；进程的挂起、激活。

前边4个是进程控制的基本原语，在执行每个原语时，进程的状态发生哪些变化？

创建：扫描PCB队列，从空闲队列中粘取空白的PCB块，将进程的现场信息写进PCB，将该PCB放进就绪队列

终止：回收资源，释放PCB，再将该PCB挂回空闲队列。

阻塞：将PCB挂到与本次中断原因相同的阻塞队列。

唤醒：将队列中的PCB挂到就绪队列。

进程的同步：

进程的同步是使并发执行的程序之间可以共享资源和相互合作，从而使程序的结果具有可再现性。下边先引入几个概

念：

临界资源：一次只能允许一个进程访问的资源；

临界区：访问临界资源的代码段，代码段不能交叉执行。

间接的制约关系：由于共享资源引起。（互斥）

直接的制约关系：由于相互合作引起。（共享）比如：4*100米接力赛中，4名同学直接的关系就是 直接的制约关

系。

临界区必须互斥访问。所以在进入区的进程必须先检查临界资源是否被占用，如果未被占用，该进程就进入临界区，

否则，过段时间再来检查。

同步机制应该遵循的准则：

空闲让进：临界区空闲时，进程可以进入。

忙则等待：临界资源被占用，进程只能等待。

有限等待：避免死等的原则。

让权等待：等待的同时让出CPU，调用转进程调度，重新分配CPU。进程调度就是决定将CPU分给哪个进程。

进程互斥问题的解决方法-----硬件方法和软件方法

硬件方法：方法一。利用Test-and-Set指令实现互斥

bool TS(bool lock){        bool old = lock;        lock = true;        return old;}

lock表示资源的两种状态：true表示临界区忙，否则空闲。

当lock为真（即就是临界区忙），一直检测，直到临界区空闲。当退出临界区时，一定将lock置为false。

方法二。利用swap交换。

key = true;do{     swap(lock,key);//表明交换key和lock的值}while(key);

恩利用交换的办法，key里的值就是lock的值，即就是临界区的状态，当lock是true（忙），key也就是true，程序一直

执行，直到key为false，循环退出，执行下边的语句，出临界区时，lock置为false。

关于软件的方法，之后再整理。。

以上如有不合理的地方，请指出~~谢谢