操作系统原理第2章进程的描述与控制课件

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1、操作系统原理Operating System Principles,四川大学计算机学院 段 磊 2014.2,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,2,课程回顾,操作系统与计算机,操作系统的功能和特征,操作系统的发展,IBM计算机与操作系统,计算机的组织结构 OS与计算机 OS概念与目的,资源管理 OS概念 OS功能/目的,内容,要点,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,3,操作系统的职责是管理计算机系统的软件和硬件资源，控制计算机的整个工作流程。,操作系统的概念：操作系统是计算机系统中一组控制和管理计算机硬件资源和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以方便用户使用的程序的集

2、合。,使用操作系统的目的： 有效的管理计算机资源 方便用户使用计算机资源 扩大计算机功能 构筑开放环境,课程回顾,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,4,课程回顾,操作系统与计算机,操作系统的功能和特征,操作系统的发展,IBM计算机与操作系统,OS的功能 OS的特征,功能理解 -本书的学习线索 特征理解 并发性：进程 共享性：资源 虚拟性：存储 异步性：进程,内容,要点,处理器 管理,存储器 管理,输入/输出 设备管理,文件 系统,用户接口,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,5,课程回顾 操作系统的功能,处理器管理： 进程和线程的描述与控制 处理器调度 进程或线程的同步与

3、互斥 死锁的检测和预防 进程之间及线程之间的通信,存储器管理： 内存规划、分配及地址映射 内存保护 内存扩充,输入/输出设备管理： 输入/输出设备控制 缓冲管理 设备独立性 设备分配 虚拟设备 磁盘存储器管理,文件系统： 对文件结构进行组织和目录管理 提供文件的存取访问 实现文件的存储空间管理 实现文件的共享和保护,用户接口： 程序接口 命令接口 图形接口,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,6,进程和资源管理,用户接口,文件管理,设备管理,课程回顾 操作系统的功能,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,7,第2章 进程的描述与控制,进程作为资源分配和处理器调度的基本单位，是

4、操作系统中最活跃的因素， 进程是操作系统并发性、共享性、虚拟性和异步性的体现。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,9,本章目录,2.1 进程描述 2.2 进程的控制 2.3 前趋图 2.4 Unix OS的进程描述与控制 2.5 线程的描述与控制 2.6 Solaris OS线程,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,10,2.1 进程描述,内容 进程的概念与特征 进程状态与转换 加入挂起功能 进程的描述 要点 概念的理解 状态转换,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,11,2.1.1 进程概念和特征,进程作为资源分配和处理器调度的基本单位，是操作系统中最活跃的因

5、素，也是操作系统并发性、共享性、虚拟性和异步性的体现。,为了避免进程切换使得系统付出的开销过大，现代操作系统在进程的基础上又引入了“线程”的概念，用线程代替进程成为处理器调度的基本单位。,进程的定义：进程是可并发执行的、具有独立功能的程序在一定数据集合上的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,12,举例理解进程的概念 程序的顺序执行与并发执行 程序的相互制约方式,补充,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,13,举例理解进程的概念,阅读菜谱,准备原料,烹制菜肴,饭菜,阅读洗衣机手册,准备衣服、洗衣粉,设定参数，洗衣服,干净

6、衣服,程序,输入,运行,输出,程序,输入,运行,输出,分时切换,洗衣进程,做饭进程,补充,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,14,特征 顺序性 封闭性（资源独占） 可再现性（结果的无关性）,程序的顺序执行与并发执行 顺序执行 例1：输入I，计算C，打印P 例2： S1，S2，S3 S1：a:xy S2：b:a5 S3：c:b1,I,C,I,P,C,P,S1,S2,S3,补充,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,15,程序的顺序执行与并发执行 并发执行,间接性制约 资源共享 相互制约 失去封闭性 资源共享 等待 不可再现性,补充,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章

7、,16,2.1.3 程序中的并发执行及其特征,程序中并发执行的不可再现性 A：N:N1 B：Print（N），N:0,补充,A、B共享变量N （Nn） 例1：AB n+1，n+1，0 例2：BA n，0，1 例3：A在B的两个操作之间进行 n，n+1，0,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,17,程序的并发执行 读集写集的概念 Bernstein条件 程序并发执行的判定,读集R(pi)=a1,a2,am表示程序pi在执行期间所要参考的所有变量的集合。 写集W(pi)=b1,b2,bn表示程序pi在执行期间要改变的所有变量的集合。 如c:=a-b和w:=c-1两条语句，其读、写集分别为

8、： R(c:=a-b)=a,bW(c:=a-b)=c R(w:=c-1)=cW(w:=c-1)=w,补充,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,18,程序的并发执行 读集写集的概念 Bernstein条件 程序并发执行的判定,补充,读集R(pi)=a1,a2,am表示程序pi在执行期间所要参考的所有变量的集合。 写集W(pi)=b1,b2,bn表示程序pi在执行期间要改变的所有变量的集合。 如c:=a-b和w:=c-1两条语句，其读、写集分别为： R(c:=a-b)=a,bW(c:=a-b)=c R(w:=c-1)=cW(w:=c-1)=w,1966年Bernstein首先提出了p1、

9、p2并发执行的条件，又称为Bernstein条件: 两个过程如果有数据冲突(Data hazard)，那么就没法并行执行。 若两个程序p1、p2能满足下述条件，他们便能并发执行，且具有可再现性。 R(p1)W(p2)R(p2)W(p1)W(p1)W(p2)=,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,19,程序的相互制约方式 间接制约方式： 这是由于竞争相同资源而引起的，得到资源的程序段可以投入运行，而得不到资源的程序段就是暂时等待，直至获得可用资源时再继续运行。 直接制约方式： 这通常是在那些逻辑上相关的程序段之间发生的，一般是由于各种程序段要求共享信息引起的。,补充,2020/9/25

10、,计算机操作系统- 第2章,20,进程是程序运行过程 进程是以异步为主要特征并具有“活力”的过程 操作系统需要用数据结构描述进程 进程的运行轨迹是可以控制的 进程是资源分配的单位 进程与程序不同,相同的程序可以多次运行，每次运行的环境可能不相同。这种多次运行可以发生在同一时间段中。,进程的异步特征的表现形式是进程推进过程中的“走走停停”，某一进程被别的进程切换又切换其他的进程； 进程的每一步执行都是一个向前推进的过程，是具有“活力”的过程。,操作系统为了管理进程，对每个进程都有一个数据结构用来描述进程的详细信息，该数据结构根据进程的动态过程不断更新。,操作系统通过进程的数据结构了解进程的详细信

11、息，采用进程管理的方法实现对进程运行轨迹的控制。,在以进程为基础的操作系统中，系统资源以进程为单位进行分配。系统资源包括各种硬件资源和软件资源，特别是处理器资源。,虽然进程是程序运行，但是进程与程序却不能完全等同。程序是静态的，是以文件形式存放在磁盘上的代码序列。 进程是动态的，是不断向前推进的过程，进程具有各种状态并可以在状态之间转换。,进程的理解,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,21,结构性 动态性 并发性 独立性 异步性,进程包含有描述进程信息的数据结构和运行在进程上的程序。操作系统用进程控制块描述和记录进程的动态变化过程。进程的数据结构至少包含进程控制块、程序块和数据块。

12、,进程是程序在数据集合上的一次执行过程，具有生命周期，由创建而产生，由调度而运行，由结束而消亡，是一个动态推进的过程。,在同一段时间内，若干个进程可以共享一个处理器。进程的并发性能够改进系统的资源利用率，提高计算机的效率。,在操作系统管理上，进程是一个独立的资源分配单位，进程可以在创建时获取资源，也可以在运行过程中获取资源。操作系统为进程分配各种资源，如处理器和内存地址空间等。,在计算机环境中，处理器的数量总是小于进程的数量，多个进程被强制分享同一个处理器，进程以交替方式被处理器执行。进程的这种执行方式为异步性。,进程的特征,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,22,2.1.2 进程

13、的基本状态及转换,操作系统通过控制进程状态达到控制计算机工作过程的目的。 进程的状态不是固定不变的，而是不断转换的。进程有时占有处理器，有时等待处理器，有时等待I/O操作，直至最终完成。 进程的每一个状态都是进程向前推进的整个生命周期中的关键点。 进程的三个基本状态：就绪状态、运行状态、阻塞状态。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,23,进程的基本状态及转换,就绪状态： 该进程运行所需的一切条件都得到满足，但因处理机资源个数少于进程个数，所以该进程不能运行，而必须等待分配处理机资源，一旦获得处理机就立即投入运行。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,24,进程的基本状态及

14、转换,运行状态： 进程正在处理机上运行的状态，该进程已获得必要的资源，也获得了处理机，用户程序正在处理机上运行。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,25,进程的基本状态及转换,阻塞状态: 进程等待某种事件完成（例如，等待输入/输出操作的完成）而暂时不能运行的状态，处于该状态的进程不能参加竞争处理机，此时，即使分配给它处理机，它也不能运行。,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,26,进程的基本状态及转换,状态变化： 就绪状态 执行状态 执行状态 就绪状态 执行状态 阻塞状态 阻塞状态 就绪状态,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,27,新建状态是指操作系统创建进程

15、时，进程所处的状态。进程新建成功后即转入就绪状态，在就绪进程队列中排队。 操作系统创建进程需要为进程分配资源。因此，操作系统将根据系统的性能和内存容量的情况决定是否创建新的进程。如果系统性能较差或内存容量受到限制，不能为新进程分配资源，则操作系统会发出创建新进程失败的响应或将创建新进程的工作推迟。,进程达到了结束点或进程出现了严重的错误时，会被操作系统终止或被其他有终止权的进程终止。 进入终止状态的进程不再被执行，等待操作系统完成进程终止处理。当操作系统完成进程终止处理后，操作系统会删除进程，收回进程所占用的资源。,具有创建和结束状态的进程,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,28,

16、进程的状态转换,状态变化： 就绪状态 执行状态 执行状态 就绪状态 执行状态 阻塞状态 阻塞状态 就绪状态,思考：加入新建状态和终止状态后的转换图,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,29,进程的状态转换,2020/9/25,计算机操作系统- 第2章,30,进程挂起及挂起的原因 系统资源的需要 调节竞争或消除故障的需要 终端用户的需要 父进程的需要 调节进程的需要,当系统中所有的进程均处于阻塞状态时，没有就绪进程，处理器处于空闲。如果这时内存空间已经被进程占满，不能装入更多的进程，需要将内存中处于阻塞状态的进程挂起，对换到外存上，让出内存空间接纳新创建的进程。,操作系统在检查进程运行中竞争资源的情况时，或在系统出现故障使某些功能受到破坏时，为了解决进程的资源竞争或消除系统故障，操作系统需要挂起某些对资源竞争的进程或怀疑引起系统故障的进程，将进程对换到外存。,终端用户可以直接操作自己的程序。当程序员需要调试、检查和修改自己的程序时，可以要求挂起与程序相对应的进程，暂停进程的推进。,父进程对自己的子