第二部分处理器管理课件

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1、第2章 处理器管理,第2章 处理器管理,2.1 进程概念 2.2 进程控制 2.3 进程调度 2.4 调度算法 2.5 线程概念 2.6 多处理器系统,2.1 进程概念,2.1.1 多道程序设计 2.1.2 进程的定义 2.1.3 进程的状态 2.1.4 进程控制块 2.1.5 进程结构,2.1.1 多道程序设计,1. 程序的顺序执行 早期的计算机系统基本上都是单处理器系统，每一次只允许一道程序运行，这个程序运行时，它将独占整个计算机系统的资源，而且系统按照程序步骤顺序地执行，在该程序执行完之前，其他程序只能等待，从而不存在共享资源的问题。这种程序的执行方式，称为顺序执行。,S1: a=x+y

2、; S2: b=a-5; S3: c=b+1;,程序顺序执行特点,（1）顺序性（不同程序之间是按一定顺序执行的）。 （2）封闭性（程序在运行时独占系统资源，只有程序本身能改变系统资源状态（除初始状态外）。 （3）无关性（即确定性，程序执行结果与其执行速度无关）。 （4）可再现性（程序运行不受外界因素影响，只要初始条件相同，运行结果也相同）。 缺点：资源利用率低。,为增强计算机系统的处理能力和提高各种资源的利用率，现在计算机系统多采用多道程序设计技术 ，任一时刻，系统中存在许多并行的活动。 并发执行：两个程序的执行在时间上是重叠的。,并发执行基于多道程序的概念，即让多个程序在计算机内交替执行，当

3、一道程序不占用CPU时，另一道程序就马上使用，这就是多道程序设计的思想，这样的计算机系统就称为多道程序设计系统。采用多道程序设计，并由操作系统进行管理后，CPU得到了充分的利用。 虽然在某一时刻仍然只有一条指令在执行，只有一个程序占用CPU，但在机器的内存中同时存放了多个程序，在某一时间间隔内，这些程序在交替执行。因此，从微观上看，指令是顺序的，但从宏观上看，程序却是并发的，这是理解进程操作的关键。,2. 程序的并发执行,并发执行时的前趋图,对于具有下述四条语句的程序段： S1: a=x+2 S2: b=y+4 S3: c=a+b S4: d=c+b,程序的并发执行具有如下特征：,异步性/间断

4、性:走走停停，具有执行-暂停-执行的活动规律。并发程序段竞争同一资源，得到资源的程序段继续执行，得不到的暂停执行。,2. 程序并发执行丧失了程序顺序执行所保持的封闭性和可再现性 例：有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程序A每执行一次时，都要做N=N+1操作；程序B每执行一次时， 都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。 (1) N=N+1在Print(N)和N=0之前，此时得到的N值分别为n+1, n+1, 0。 (2) N=N+1在Print(N)和N=0之后，此时得到的N值分别为 n, 0, 1。 (3) N=N+1在Print(N)和N=0

5、之间，此时得到的N值分别为 n, n+1, 0。,在执行期间并发程序相互制约：多道程序之间存在着资源的竞争与共享，因而产生了相互制约的关系。 直接制约，如一个程序段需要另一个程序段的计算结果。 间接制约，竞争使用同一资源。 程序与机器执行程序的活动（计算）不再一一对应：允许多个用户作业调用一个共享程序段，从而形成多个“计算”。,课前提问,什么是多道程序设计？ 为什么要采用多道程序设计？ 程序的并发执行具有哪些特点？,2.1.2 进程的定义,多道程序环境下，程序这个静态概念已不能如实反应程序活动的特性，如独立性、并发性、动态性、制约性等。为了更好地描述系统中的并发活动引入进程的概念。由于并发活动

6、的复杂性，所以各个操作系统中对进程的定义未能统一： （1）进程是程序在处理机上的执行（Dijkstra）。 （2）进程是可以与别的计算并发执行的计算（Donovan）。 （3）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序地执行时所发生的活动（A Lan Show）。 （4）进程是系统资源和程序代码的执行位置的集合（Java）。 （5）进程是进程映像的执行（Unix）。,归纳为：进程是程序关于某个数据集合的可并发的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,进程特性,动态性：进程是一次运行活动 结构性：进程实体是程序和数据集合 并发性 独立性 异步性：并发进程相互制约，呈现走走停停的状态,2

7、.1.3 进程的表示,1. 进程的组成 进程是一个动态的概念，程序及其相关的数据集合是进程存在的实体，那么如何表示一个进程？又如何知道进程的存在呢？在操作系统中，进程通过三个部分被感知，即程序、数据集合和进程控制块。 （1）程序（program）。进程运行所对应的执行代码，一个进程可以对应一个程序，也可以只对应一个程序的一部分，多个进程也可同时对应一个程序，即这个程序被多个进程所共享，可共享的程序代码叫纯代码或叫可重入代码，在运行过程中不能被改变。 （2）数据（data）。进程运行中必需的数据资源，包括对CPU的占用、存储器、堆栈、缓冲区、I/O通道和I/O设备等的需求信息。,（3）进程控制块

8、（Process Control Block/PCB）。系统为进程定义的一种专门的数据结构，用PCB描述进程的运动变化过程，记忆进程的外部特征和与其他进程的联系。PCB与进程一一对应，系统创建一个进程，在系统区就为进程设置一个PCB，再利用PCB对进程进行管理和控制，进程被撤消时，系统就收回它的PCB，进程随之消亡。所以，PCB是进程存在的惟一标志。 三者关系：进程的程序和数据比喻为进程的“躯体”，那么PCB便是进程的“灵魂”。,2. 进程控制块中的信息,PCB是进程存在的唯一标志。一般包含以下信息： (1)进程标识符：惟一地标识一个进程。 内部标识符。在所有的操作系统中，都为每一个进 程赋予

9、一个惟一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。 主要是为了方便系统使用。 外部标识符。由创建者提供，通常由字母、数字组成，往往是用户(进程)在访问该进程时使用。 为了描述进程的家族关系， 还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。,(2) 位置信息：进程的程序和数据部分在内存或外存中的物理位置。 (3) 状态信息：进程当前的状态 (4) 进程的优先级。 (5) 进程现场保护区：进程状态改变时，保存当时的cpu现场到内存中。 (6) 资源清单：除了内外存，还有其他资源，如I/O设备 (7) 队列指针或链接字：链接处于同一状态的进程 (8) 其它。 根据os的

10、不同，pcb具有的内容不同,3. 进程控制块的组织方式,一个系统通常可有数十个、数百个甚至数千个PCB，为了对他们有效管理，应当用适当的方式将他们组织起来。 1）线性表方式：,PCB线性表示意图,2）链接方式,具有同一状态的PCB用链接字连接成一个队列，就绪队列（优先级），若干阻塞队列（阻塞原因不同），空白队列,PCB链接队列示意图,3) 索引方式,按索引方式组织PCB,根据进程状态建立索引表，并将索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中，每个索引表的表目中，记录相应状态的某个PCB在PCB表中的位置。,2.1.4 进程的状态,代表进程生命周期的三种基本状态：运行/执行（running）

11、、就绪（ready）和等待/阻塞（waited或blocked）状态，此外还有停止（stop）状态、死锁（deadlock）状态等。 运行状态：进程的物理运行。 就绪和等待状态：进程的逻辑运行。 停止状态：进程无需再运行。 死锁状态：进程无法执行。,进程在某个时刻总是处于某种状态，随着进程自身的推进和外界条件的变化，进程的状态也随之变化。,进程的三种基本状态及其转换,（1）就绪运行 （2）运行就绪 （3）运行等待 （4）等待就绪,具有挂起状态的进程状态图,2.2 进程控制,2.2.1 创建进程（create） 2.2.2 停止进程（halt） 2.2.3 挂起进程（suspend） 2.2.4

12、 激活进程（activate） 2.2.5 阻塞进程（block） 2.2.6 唤醒进程（wakeup）,进程状态转换原语,进程的控制指操作系统必须提供某种机制，来创建一个新进程、撤消一个已经结束运行的进程、改变进程状态、实现进程之间的通信。 通过OS内核中的原语来实现的。 所谓“原语”，指由若干条机器指令构成的并用以完成特定功能的一段程序，这段程序在执行期间是不可分割的。,进程：系统进程；用户进程 系统进程：系统活动构成的进程，程序实体是在管态下执行的操作系统程序，所有的系统进程构成一个系统进程族。系统初启时，创建一个系统总控进程。由总控进程创建其他系统进程或常驻内存的系统进程。系统进程一旦

13、创建便参与并发运行，直到系统终止，由总控进程撤销所有系统进程。总控进程自行消亡。,2.2.1 创建进程（create）,用户进程：一个独立的用户程序活动构成的进程，程序实体是用户程序或在目态下执行的系统程序。一个用户进程族随某个用户活动的开始而动态产生，随用户活动的进行而动态形成，随用户活动的终止而动态消亡。,在分时系统中，合法用户登录时，系统将为该终端用户创建一个进程。 在批处理系统中，当作业调度程序按一定的算法调度到某个作业时，系统将该作业调入内存，分配必要的资源，随之为它创建一个进程。 运行中的程序提出某种请求，需要系统提供某种服务（如打印服务）时，系统也将为该进程创建一个新进程（如打印

14、进程）。 用户进程由于应用的需要，它自己也可以创建一个新进程，以便完成特定的应用任务等等。,引起创建进程的事件,进程家族,一个进程可以创建若干个新进程，新创建的进程又可以创建进程，这个创建过程形成了一种树型结构，显示了进程家族的关系，如图所示。,通常允许一个进程创建和控制另一个进程，前者称为父进程，后者称为子进程。创建父进程的进程称为祖父进程，子进程又可创建孙进程等，形成了一个树型结构的进程家族。左图有1个祖先进程（如进程1）和6个子孙进程（如进程2进程7），祖先进程被撤销后，进程家族随之消亡。,进程创建过程,借助“建立”原语可以创建一个新进程。建立一个新进程的工作包括： （1）申请一个空闲的

15、进程控制块。 （2）初始化进程控制块。 （3）为新进程分配资源（为新进程的数据集分配内存并初始化；为新进程的程序分配内存并将它装入该程序等）。 （4）将新进程插入就绪队列。,思考：一个进程被创建后处于哪种状态？,2.2.2 停止进程（halt）,一个进程在正常运行结束时，一般都自动终止，进程由运行状态变成停止状态，这是通过调用“停止”原语实现的。 另一方面，进程异常结束时，也会导致进程由运行状态变成停止状态，如：地址越界、保护错误、特权指令错误、运行超时、运算错误、I/O故障或外界进行干预等。,停止一个进程的工作包括： （1）按该进程的标识符，检索PCB队列。 （2）终止该进程的运行，设置调度

16、标志以便重新调度。 （3）若该进程有子孙进程，则也将它们终止。 （4）归还该进程拥有的所有资源。 （5）将该进程的进程控制块从PCB队列中移出。,2.2.3 挂起进程（suspend）,当发生引起进程挂起的事件（如父进程请求将自己的某个子进程挂起）时，系统将借助“挂起”原语实现，该进程的状态由活动的就绪/等待状态变为静止的就绪/等待状态。 挂起一个进程的工作是将该进程的实体（程序和数据集）复制到外存交换区，并释放该进程占用的内存空间。 处于挂起状态的进程暂时不能参与CPU的竞争。,2.2.4 激活进程（activate）,当发生引起进程激活的事件（如驻留在外存的进程能够获得足够的内存空间）时，系统将借助“激活”原语实现，该进程的状态由静止的就绪/等待状态变为活动的就绪/等待状态。 处于激活状态的进程可以参与CPU的竞争。 激活一个进程的工作与挂起一个进程的工作相反，在内存需求得到满足后，将该进程的数据集和程序装入内存，如果是静止的就绪进程被装入内存，系统又允许剥夺式进程调度的话，则该静止的就绪进程将成为活动的就绪进程，同时能够与现行进程一起竞