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1、清华大学出版社,计算机操作系统,刘 腾 红 主编,Computer Operating System,第3章 进程和处理机管理,要求学生掌握程序的顺序执行和并发执 行；进程的定义、特点及状态变迁；进 程的管理；线程的概念、类别；进程间 的同步与互斥；进程通信；死锁产生的 原因与解除方法；处理机、进程和作业 的调度方法；最后还要了解Windows XP 的进程和线程管理。,第3章 进程和处理机管理,3.1 进程的基本概念 3.2 进程管理 3.3 线程的概念 3.4 进程间的同步与互斥 3.5进程通信 3.6死锁 3.7处理机调度 3.8Windows XP的进程和线程管理,3.1.1 程序顺序
2、执行 1. 程序顺序执行,3.1 进程的基本概念,图3-1 程序的顺序执行,2. 程序顺序执行的特点 (1)顺序性 (2)封闭性 (3)可再现性,3.1.2 程序并发执行 1.程序的并发执行 如图3-2，I3、C2、P1 是并发执行的，则使用 下面的语句描述： cobegin I3; C2; P1; coend;,3.1 进程的基本概念,2. 程序并发执行的特点 (1)失去了程序的封闭性 程序之间的相互制约关系(间接关系和直接 关系)导致程序“执行-暂停-执行”，即 程序的执行具有间断性。 (2) 通信性:如图3-3 (3) 独立性,3.1 进程的基本概念,3.1.3 进程描述 1. 进程定义
3、 最能反映进程实质的定义有： 1）进程是程序的一次执行活动； 2）进程是可以和别的计算并发执行的计 算； 3）进程是一个程序在对应数据结构上的 进行的操作；,3.1 进程的基本概念,4）所谓进程，就是一个程序在给定活动 空间和初始环境下，在一个处理机上的执 行过程； 5）进程是程序在一个数据集合上运行的 过程，它是系统进程资源分配和调度的一 个独立单位。 国内的定义：进程，是一个具有一定独 立功能的程序，是关于某个数据集合的一 次运行活动。,3.1 进程的基本概念,1. 进程定义 进程和程序的联系和区别: 1）程序是指令的有序集合，其本身没有 任何运行的含义，它是一个静态的概念。 进程是程序在
4、处理机上的一次执行过程， 它是一个动态的概念。 2）进程具有并行特征，能与其它进程并 行地活动；,3.1 进程的基本概念,2. 进程类型 (1)系统进程和用户进程，两者的区别: 1)系统进程被分配一个初始的资源集合，其可以独占或按最高优先权限优先使用这些资源。但用户进程必须通过系统服务请求来申请资源，并竞争资源 2）用户进程不能直接完成I/O操作，而系统进程可以做显示的、直接的I/O操作 3）系统进程在管态下运行，而用户进程在目态下运行 (2)计算进程和I/O进程,3.1 进程的基本概念,3. 进程的特征和利弊 特征： 1）动态性 2）并发性 3）独立性 4）异步性/间断性 5）结构特征 每个
5、进程都有进程控制块PCB：其包含描 述进程和控制信息 引入进程增加开销：空间开销和时间开销,3.1 进程的基本概念,4. 进程的状态与变迁 进程的三种基本状态及其状态变迁如图3-4 在不同的系统中，进程可以设置更多的状态,3.1 进程的基本概念,5. 进程描述进程控 制块PCB 1)PCB的作用：标识进 程存在的唯一实体 2）进程控制块的内容 进程控制块PCB常用的信 息如表3-1。 3）PCB的组织方式 a)链接方式如图3-5 b)索引方式如图3-6,3.1 进程的基本概念,表3-1 PCB信息,表3-1 PCB信息,3.1 进程的基本概念,表3-1 PCB信息,图3-5 按链接方式组织PC
6、B,3.1 进程的基本概念,索 引 表,图3-6 按索引方式组织PCB,3.2.1 进程创建原语 进程创建原语的主要功能是为被创建进 程建立一个PCB 创建进程原语的操作过程是：首先从空 闲PCB队列中申请一个可用的PCB，申请到 后为该PCB分配一个内部标识符；然后填入 创建者提供的参数和直接从父进程继承的 参数；把新进程设为就绪状态，并插入到 就绪队列和进程家族；最后，返回为新进 程的内部标识PID（进程存在的唯一标识）,3.2 进程管理,3.2.1 进程创建原语 创建原语描述如下：,3.2 进程管理,算法：create 输入：新进程的符号名，优先级，开始执行地址 输出：新创建进程的内部标
7、识符PID 在总链队列上查找有无同名的进程； if (有同名进程) return （错误码） /*带错误码返回*/ 在空闲PCB队列申请一个空闲的PCB结构； if (无空PCB结构) return （错误码）； /*带错误码返回*/ 用参数填充PCB内容； 置进程为就绪状态； 将新进程的PCB插入到就绪队列； 将新进程的PCB插入到总链队列中； 设置进程的家族关系； return （新进程PID）； /* create(name, priority, start-addr) */,3.2.2 进程撤消原语 撤消原语Kill操作如下：,3.2 进程管理,void kill 输入：进程标识符PI
8、D 输出：无 由参数PID查找到当前进程的PCB； 释放本进程所占用的资源给父进程； 将该进程从总链队列中摘除； 释放此PCB结构； 释放所占用的资源； 转进程调度程序； /* kill */,3.2.3 进程等待原语 等待原语操作过程如下：,3.2 进程管理,void susp(chan) 输入：chan /*等待的事件（等待原因）*/ 保护现行进程CPU现场到PCB结构中； 置该进程为“等待/阻塞”态； 将该进程PCB插入到等chan的等待队列； 转进程调度； /* susp(chan) */,3.2.4 进程唤醒原语 唤醒原语操作过程如下：,3.2 进程管理,void wakeup(ch
9、an) 输入：chan /*等待的事件（等待原因）*/ 输出：无 保护现行运行进程的CPU现场到它的PCB结构中； 置该进程为就绪状态； 将该进程插入就绪队列； 找到该阻塞原因的队列指针； for(该队列上的每一个等待进程) 将进程移出此等待队列； 置进程状态为“就绪”并将进程放入就绪队列； 转进程调度； /* wakeup(chan) */,3.2.5 其他原语 1.进程延迟原语和延迟唤醒原语 延迟原语的功能是：将需要延迟的进程 PCB结构加入到延迟队列，当延迟时间到来 时，由延迟唤醒进程（系统进程）把它唤醒 2.进程挂起原语和进程激活原语 进程的挂起状态是一种静止状态，它分为 挂起就绪和挂
10、起等待。,3.2 进程管理,3.3.1 线程的概念 线程是比进程更小的活动单位，它是进程 的一个执行路径。 线程可以这样描述： 1）线程是进程中的一条执行路径 2）它有自己的私用堆栈和处理机执行环 境（尤其是处理器寄存器） 3）它与父进程共享分配给父进程的主存 4）它是由单个进程所创建的众多线程中 的一个线程,3.3 线程的概念,3.3.2 线程与进程的比较 1.调度：把线程作为调度和分派的基本单位，而把进程作为资源拥有的基本单位 2.并发性：不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间也可并发执行 3.拥有资源：进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可访问隶属于进程
11、的全部资源。 4.系统开销：由于在创建或撤消进程时，系统都要为之分配或回收资源，导致系统的开销将显著地大于在创建或撤销线程时的开销。,3.3 线程的概念,3.3.3 线程的分类 1. 线程的两种类型 1）内核支持线程Kernel-Supported Threads 2）用户级线程User-Level Threads 2.两种线程的分析,3.3 线程的概念,3.4.1 进程间的制约关系 1.资源共享 互斥共享和同时访问 2.进程合作 进程相互合作和通信，共同完成一个任务 3.4.2 进程互斥 1. 互斥的概念 互斥共享的资源：物理设备和软件资源 相关概念:临界区和临界资源,3.4 进程间的同步与
12、互斥,3.4.2 进程互斥 2. 锁及其操作 置锁信号为1称为上锁原语（lock），置锁信 号为0称为开锁原语(unlock)，代码如下所示,3.4 进程间的同步与互斥,上锁原语,开锁原语,void lock(锁变量w) test: if(w为1) goto test /*测试锁位的值*/ else w=1; /*上锁*/ /* lock(w) */,void unlock(锁变量w) w=0; /* 开锁 */ /* unlock(w) */,3.4.2 进程互斥 2. 锁及其操作 goto语句使进程一直占用处理机来循环测试锁 状态，故将上锁原语和开锁原语改进如下,3.4 进程间的同步与互斥
13、,改进后的上锁原语,改进后的开锁原语,void lock(锁变量) while(w=1) 保护现行进程CPU现场； 现行进程入w的等待队列； 置进程为“等待”状态； 转进程调度； w=1; /* 上锁 */ /* lock(w) */,void lock(锁变量) while(w=1) 保护现行进程CPU现场； 现行进程入w的等待队列； 置进程为“等待”状态； 转进程调度； w=1; /* 上锁 */ /* lock(w) */,3.4.2 进程互斥 3. 使用锁实现进程互斥 如图3-7，说明了两个进程使用同一临界资 源时的操作。两者都必须先执行上锁原语,3.4 进程间的同步与互斥,图3-7
14、进程使用临界资源时的操作,与图3-7相应的进程互斥代码如下：,3.4 进程间的同步与互斥,main() int w=0;/系统初启时置锁状态 cobegin ppa();/进程A ppb();/进程B coend ppa()/进程A ; lock(w); 进程A的临界区CSa； unlock(w); ; ppb()/进程B ; lock(w); 进程B的临界区CSb； unlock(w); ; ,3.4.3 信号灯和P、V操作 1. 信号灯的概念 1965年荷兰Dijkstra提出的进程同步工具 信号灯表示:二元组（s,q） 其中：s具有非负初值的整型变量，代表资 源实体或并发进程的状态;q是
15、一个初始状 态为空的等待队列,3.4 进程间的同步与互斥,3.4.3 信号灯和P、V操作 2. P、V操作原语 系统一般提供P、V操作原语来修改信号灯的值 如果信号灯用s表示，则P操作记为P（s），V 操作记为V（s） 1) P操作:对信号灯进行减1操作，再根据信 号灯的值对调用P操作的进程进行相应处理 2) V操作:对信号灯进行加1操作,3.4 进程间的同步与互斥,3.4.3 信号灯和P、V操作,3.4 进程间的同步与互斥,void p(变量s) /变量s为信号灯 s-; if(s0) /进程进入相应的等待队列 保留调用进程CPU现场； 将该进程进入s的等待队列； 置“等待”状态； 转进程调
16、度； /* p(s) */,1）P操作过程,void v(变量s) /变量s为信号灯 s+; if(s=0) 移出s等待队列首元素； 将该进程入就绪队列； 置“就绪”状态； /* v(s) */,2）V操作过程,3.4.3 信号灯和P、V操作 3. 使用P、V操作实现进程互斥 举例1:说明两个进程使用信号灯实现进 程互斥 设系统中同类的互斥资源只有1个，则： 1）信号灯的初值为1，表示资源可用， 2）信号灯的值小于等于0，表示资源已 经被进程占用，则另一进程只能等待。 相关代码见下页图表,3.4 进程间的同步与互斥,3.4 进程间的同步与互斥,main() int mutex=1;/互斥信号灯 cobegin pa();/进程A pb();/
