本系列笔记整理自 https://www.bilibili.com/video/BV1YE411D7nH

个人认为讲解比较清晰，容易理解。

一、进程控制

1.1 什么是进程控制

进程控制的主要功能是对系统中所有进程实施有效管理，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。简而言之，进程控制就是要实现进程状态转换。

1.2 如何实现进程控制

进程控制主要是通过“原语”实现的。原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性。也就是说，这段程序的运行必须一气呵成，中间不能存在中断。

为什么进程控制的过程要“一气呵成”呢？如下图，假设我们需要将一个 PCB 的状态由 2 变成 1。中间至少需要做两件事：（1）将 PCB 的状态值设为 2；（2）将 PCB 从阻塞队列放到就绪队列。如果中间完成第一步后，因为中断而导致程序暂停，就会出现 PCB 明明状态值为 1，却处于阻塞队列的情况。显然，这是不符合我们预期的行为。因此，原语的不可中断性就非常重要了！

OS

1.3 如何实现原语的“原子性”

原语的原子性可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性。

CPU在执行了关中断指令后，就不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。这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”。

同时，正是因为这两条指令的特殊性，它们必然不能被用户程序所调用，否则就会造成某个用户程序一直霸占 CPU 执行的情况，这非常危险！

1.4 进程控制相关的原语

1.4.1 进程的创建

OS

1.4.2 进程的终止

OS

1.4.3 进程的阻塞和唤醒

OS

1.4.4 进程的切换

OS

二、进程通信

2.1 什么是进程通信

进程间通信（IPC）是指两个进程之间产生数据交互。比如说：将微博中的内容分享到微信中，这就是一个进程间通信。

2.2 为什么进程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。否则一个进程就可以随意修改其它进程的数据，这是非常危险的！

OS

那么，如果两个进程之间需要进行数据交互，为了保证安全，就需要操作系统的支持。

2.3 共享存储

在内存中，某一个进程 P 可以申请一块共享存储区。其它进程可以通过申请访问这块地址空间从而交互数据。

由于共享存储区中的数据可以被许多进程修改，因此，为避免出错，应该要求各个进程对共享空间的访问是互斥的，即同一时间，只有一个进程修改共享空间的数据。

这种共享方式称为基于存储区的共享，其中数据的形式、存放的位置都是由通信进程控制，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。但有时共享是基于数据结构的共享。比如说，共享空间里只能放一个长度为 10 的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。

2.4 消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。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。

什么是格式化的消息呢？这样的消息包括：消息头和消息体组成。消息头包括：发送进程 ID，接收进程 ID，消息长度等格式化的信息。

消息传递也分为直接通信方式和间接通信方式。直接通信方式要指明接收进程的 ID；间接通信方式通过“信箱”间接地通信，因此又称“信箱通信方式”。

2.5 管道通信

这是一个非常形象的描述。一个进程 P 可以往管道的一侧写数据，而另一个进程 Q 则从管道另一侧读数据。整个过程是单向运输数据的！（毕竟不可能一个管道中既有向右的水流，又有向左的水流）

这里的“管道”实际上是一个特殊的共享文件，又名 pipe 文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区，数据是先进先出的。

我们需要注意的是（1）管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。（2）各进程要互斥地访问管道。（3）当管道写满时，写进程将被阻塞，直到读进程将管道中的数据取走。（4）当管道读空时，读进程将被阻塞，直到写进程往管道中写入数据。（5）管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。允许有多个写进程，多个读进程，但读进程必须轮流读数据。

【注】考试的话最好要一个管道允许多个写进程，一个读进程。这是408真题的一个答案所提及的。