王道操作系统笔记，视频链接：2.1.4 进程控制

定义：进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

如何实现进程控制

• 进程的控制需要用“原语”实现。
  复习：原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性，其运行必须一气呵成，不可中断。
• 问：为什么进程控制（状态转换）的过程要“一气呵成”？
  示例如图：
  
  如果不一气呵成，中断信号就可能导致某些关键的数据结构（如PCB）信息不统一的情况，这就可能影响操作系统，让后续运行出错。

如何实现原语的“原子性”

• 原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。
• 可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性。
  • 关中断和开中断指令都是特权指令，其作用顾名思义是开启和关闭中断信号的检查。中断信号的检查阶段发生在每条指令执行之后，所以利用开中断和关中断指令将原语包括起来，那么就可以实现原子性，如图：
    
• 如果这两个特权指令允许用户程序使用，那么用户程序就可以实现全称霸占CPU，拒绝交出权限。

进程控制相关的原语

创建原语

1. 定义：操作系统创建一个进程时使用的原语称为创建原语。

• 申请空白PCB
• 为新进程分配所需资源（内存空间等）
• 初始化PCB（分配PID，设置UID等）
• 将PCB插入就绪队列（创建态->就绪态）

2. 引起进程创建的事件：

• 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程
  比如用户管理进程、用户通讯进程等。
• 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
  作业就是放在外存里，还没有投入运行的程序。作业调度就是从外存中挑选一个程序放入内存运行。
• 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会新建一个进程处理该请求
• 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程

撤销原语

1. 定义：要终止一个进程时使用的原语。（就绪态/阻塞态/运行态->终止态->无）

• 从PCB集合中找到终止进程的PCB
• 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
• 终止其所有子进程
  比如：祖先进程kernel_task的PID为0，创建了一个它的子进程launchd（也称装入程序或者叫装入进程，后面第三章会讲），其PID为1。
  在开机后我们启动的所有其它进程都是依靠装入进程启动的，所以其它进程都是装入进程的子进程。
  当然，其它父进程也能有自己的子进程，父进程可以按照子进程的需要将手里的资源分配给子进程，子进程结束后，掌握的资源也得返还给父进程。
  进程间的关系是树形结构，不过这不是操作系统这门课考察的重点，了解即可。
• 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
• 删除PCB

2. 引起进程终止的事件：

• 正常结束：比如进程自己请求终止（exit系统调用）
• 异常结束：比如整数除以0，非法使用特权指令，然后被操作系统强行杀掉
• 外界干扰：ctrl+alt+delete，用户选择杀掉进程

阻塞原语

PS：这些原语并不需要死记硬背，考试不会考默写，所以理解它背后的过程即可。

1. 定义：进程需要从运行态转换到阻塞态，就需要阻塞原语。

• 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
• 将PCB插入相应事件的等待队列

2. 引起进程阻塞的事件：

• 需要等待系统分配某种资源
• 需要等待相互合作的其他进程完成工作

唤醒原语

1. 定义：进程需要从阻塞态转换到就绪态，就需要唤醒原语。

• 在事件等待队列中找到对应的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

2. 引起进程唤醒的事件：

• 等待的事件发生
• 注意，一个进程因何事阻塞，就应由何事唤醒。
• 注意2，阻塞原语与唤醒原语必须成对使用。

切换原语

1. 定义：切换原语会让此时正在处于运行态的进程下处理机，让它回到就绪队列，并且从就绪队列当中选择一个就绪态的进程上处理机运行。

• 将运行环境信息（进程上下问，context）存入PCB
• PCB移入相应队列
• 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

3. 引起进程切换的事件：

• 当前进程时间片到
• 有更高优先级的进程到达
• 当前进程主动阻塞
• 当前进程终止

关于运行环境

这部分涉及到计组内容，用于辅助理解“存储运行环境”和“恢复运行环境”在做什么。

1. CPU在执行运行的时候会设置很多“寄存器”，用来存放程序运行过程中所需的某些数据。
   比如：

• PSW（程序状态字寄存器），CPU的状态就是存储在这里的。
• PC（程序计数器），存放下一条指令的地址。
• IR（指令寄存器），存放当前正在执行的指令。
• 通用寄存器，用于存放别的信息
  举例：
  四条指令：
• 指令1：往内存中某个地方写入变量x的值（比如x初始化为1）
• 指令2：把变量x的值放到某个寄存器中
• 指令3：寄存器中的数值+1
• 指令4：把寄存器的值写回变量x的存放位置
• 这几条指令完成的是定义x变量，然后完成x++操作
  运行步骤：
• 当运行指令1时，指令1的内容会被读入IR，下一条指令的地址，也就是指令2的地址就会被放入PC。
• 指令1执行完后，CPU会从PC中得知下一条指令，指令2内容读入IR，指令3的地址被读入PC。指令2要求将x的值放在某个寄存器中，所以某个通用寄存器中将会储存这个值（也就是1）。
• 指令2执行完成后，同理，指令3内容读入IR，指令4地址读入PC，指令3要求寄存器中的数值+1，所以通用寄存器中的数值变为1+1=2
• 指令3执行完成后，IR读入指令4，PC读入指令5地址，指令4将寄存器的值写回内存中，所以此时内存中的x的值变为2。
  PS：如果x是全局变量或者静态变量，那么这里的x实际存储在进程实例的数据段中。
• 注意，微观上，在当前时间片，进程确实是占有这些寄存器的，但是宏观上寄存器是公共资源，需要多个进程使用，如果不进行存储这个环境的步骤，一个进程计算出来的寄存器上的中间值就可能会被其它进程修改。
  所以为了解决这个问题，在进程切换时，先在PCB中保存这个进程的运行环境（也就是保存一些必要的寄存器信息，比如PSW、PC、以及所有的通用寄存器，因为CPU不确定哪些通用寄存器被使用了，所以必须全部保存）。当原来的进程再次投入运行时，可以通过PCB恢复它的运行环境。
  PS：在考研基础层面，通常默认讨论整数运算相关的核心寄存器组；浮点寄存器、向量寄存器等属于扩展状态，在基础考纲中通常忽略或由硬件惰性处理，不在本问题考察范围内。

知识回顾与重要考点

如图所示：