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1、第2章 进程管理,2.1 进程的引入 2.2 进程定义与控制 2.3 进程调度 2.4 进程间的相互作用 2.5 进程通信 2.6 线程 2.7 UNIX进程模型 习题,2.1 进程的引入,2.1.1 顺序程序顺序程序是指程序在计算机上严格按照写入的顺序执行。顺序程序设计也就是指不同程序的按序执行。顺序程序设计具有以下主要特征：(1) 顺序性：当多个程序在处理机上运行时，处理机严格按照程序结构所指定的顺序执行，程序的每一步都必须在上一步执行后才能开始。(2) 资源独占性：一个程序在执行时，独占全部资源。 (3) 可再现性：如果程序的初始条件相同，则其执行的结果相同，与程序的执行速度无关，即在同
2、一数据集上执行的结果均相同。,程序顺序执行的特征,程序的顺序执行 特征： 顺序性、封闭性、可再现性,I1,C1,P1,I2,C2,P2,语句1,语句2,语句3,语句4,语句5,前趋图与前趋关系,前趋图(Precedence Graph) 一个有向无循环图 描述程序或程序段之间执行的前后关系 前趋关系“” 如果：(Pi,Pj) ，也可以写成： PiPj 则称：Pi是Pj的直接前趋, Pj是Pi的直接后继 初始节点：没有前趋 终止节点：没有后继,2.1.2 多道程序设计在第1章的内容里我们讲述了操作系统具有并发性、共享性、虚拟性和不确定性等特征。形成这些特征的原因就是引入了多道程序设计。采用多道程
3、序设计技术，计算机中的CPU和外围设备的利用率得到了很大提高。,举一个“统筹方法”的例子，任务是沏一壶茶，清洗水壶需1分钟，烧开水需12分钟，拿茶叶需1分钟，洗茶壶需2分钟。如图2.1所示，如果按照上述顺序执行，总共花费16分钟。,图2.1 统筹方法,为了更好地理解这种系统，我们来看一看图2.2。图2.2(a)描述了在一个多道程序的环境中，内存存放的四道程序顺序执行的情况。在这种情况下，四道程序总的运行时间为每个程序运行时间之和。在图2.2(b)中，将四道程序抽象成为四个各自拥有自己控制流程的独立运行单位(进程)，每个运行单位都有自己的运行环境。,图2.2 四道程序的执行 (a) 顺序执行；(
4、b) 四道程序并发执行的时间关系,程序的并发执行,并发执行时的特征 间断性、失去封闭性、不可再现性,2.1.3程序并发执行的特性(1)程序结果的不可再现性。并发程序执行时，结果随执行的相对速度不同而变化，在不同的时间运行，结果各不相同。(2)独立性和制约性。独立性是指每一个程序都是一个相对独立的实体，用以实现不同的功能。 (3)程序执行的间断性。并发执行的程序之间存在着相互制约的关系，这就意味着程序执行时间会不连贯。,(4)资源共享。多个程序可以使用同一资源。多道程序的引入就是为了提高资源利用率和系统效率，因此，如果程序不能并发执行，多道程序也就是失去了它存在的意义。(5)程序和计算的不一致。
5、在顺序执行的程序中，程序和计算始终保持一一对应的关系，但在程序的并发执行中，程序执行的环境不同，这种对应关系将不复存在。,多道程序设计的特点如下：(1) 多道。主存中有多道程序，它们在任一时刻必须处于就绪、运行、阻塞三种状态之一。(2) 宏观上并行。从宏观上看，它们在同时执行。(3) 微观上串行。从微观上看，它们在交替、穿插地执行。,其主要优点是：(1) CPU的利用率高。 (2) 设备利用率高。(3) 系统吞吐量大。,2.1.4与时间有关的错误在多道程序的执行当中，不可避免地会发生程序之间相互制约的情况。为了便于理解，我们先来看一个实际生活中遇到的例子飞机订票系统。一个飞机订票系统可以有多个
6、订票处的n个订票终端。如图2.3所示，现假设n=2，公共数据区为Hi(i=1,2,n)，分别存放各次班机的现存票数，T1和T2表示售票终端的进程，。T1和T2进程的程序如下：,T1: T2: 公共数据区为Hi(i=1,2,n)，分别存放各次班机的现存票数，T1 T2表示售票终端的进程， Begin Begin 按乘客需要查找到Hi; 按乘客需要查找到Hi; R1:=Hi; R2:=Hi; ifR1=1 then ifR2=1then Begin begin R1:=R1-1; R2:=R2-1; Hi:=R1; Hi:=R2; 售出一张票; 售出一张票; end end else提示“票已售完
7、”； else提示“票已售完“； end; end;,图2.3飞机订票系统模型,2.2进程定义与控制,2.2.1进程的概念1进程的定义许多科学家给进程下过定义，其中有些很相似，有些侧重的方面各异。其中，能够反映进程实质的定义有：(1)进程是程序的一次执行。(2)进程是可以和别的计算并发执行的计算。(3)进程是定义在一个数据结构上并能在其上进行操作的一个程序。(4)进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,2进程的组成进程是在一个上下文的执行环境中运行的，这个执行环境称为进程的映像，或称进程图像，它包括处理机中各个通用寄存器的值、进程的内存映像、打开文件的
8、状态和进程占用资源的信息等。进程映像的主要部分是存储映像。,进程的存储映像由以下几部分组成：进程控制块(ProcessControlBlock，即进程状态信息)、进程执行的程序、执行时所需要的数据和进程执行时使用的工作区，如图2.4所示。,图2.4进程的组成,2.2.2进程控制块进程控制块记录了进程的标识信息、状态信息和控制信息。不同的操作系统中，PCB包含的内容各不相同，大致有以下三类。(1)标识信息：惟一地标识一个进程，主要有：进程标识：为了标识系统中的各个进程，每个进程必须有一个且只有一个标识名或标识数，也就是在创建进程时系统分配的惟一的代码，它只能在操作系统内部使用，如一些数字标识符或
9、表索引号。用户标识：指明一个进程的所有者，如登录的名称。父进程标识：是指创建该进程的进程标识。,(2) 现场信息：记录进程使用处理器时的各种现场信息，主要有CPU通用寄存器的内容，CPU状态寄存器的内容以及栈指针等。,(3)控制信息：操作系统对进程进行调度管理时用到的信息，主要有： 进程状态：标识进程当前处于运行、就绪或阻塞三种状态中的哪一种，是进程调度的主要依据。调度信息：标识进程的优先级，进程正在等待的事件等。数据结构信息：标识进程间的联系，如指向该进程的父进程控制块的指针，指向该进程的子进程列表的指针等。,队列指针：在该单元存放下一个进程的PCB的块首址，将处于同一状态的进程链接成一个队
10、列，便于对进程实施管理。位置信息：记录进程在内存中的位置和大小信息，如程序段指针，数据段指针。通信信息：指进程相互通信时所需的信息，如消息队列(记录可消费资源的列表)指针，进程间的互斥和同步机制。特权信息：记录进程访问内存的权限。存储信息：记录进程在辅存中的位置及大小。资源占有使用信息：标识进程的可重用资源和可消费资源，是对进程占有和使用CPU及I/O设备的情况记录。,进程的创建有以下几个基本步骤：(1) 创建进程标识。即在主进程表中为新进程添加一个表项，进程就得到了一个惟一的标识符，并被分配进程控制块空间。(2)分配内存和其他资源。操作系统根据程序、数据的大小，为进程分配合理的内存空间。 (
11、3) 初始化进程控制块。这一步是初始化进程的控制信息，包括与调度相关的信息，进程间通信的信息及进程的优先级信息等。(4)将创建的进程置于就绪队列。进程创建工作结束后，还要负责把进程放入就绪队列，等待系统根据一定的算法调度执行。,于进程创建原语处 着重讨论,2.2.3进程的基本状态及其转换1进程的基本状态进程因创建而存在，因撤消而消亡，此期间是进程的生命期。进程在它的生命期内，由于内因和外因的影响，会呈现不同的状态，每一种状态都有各自的特征。一般地，进程具有三种基本状态：运行态、就绪态和阻塞态。,运行态(Running)：进程已获得必要的资源，并占有处理机，处理机正在执行该进程的程序。就绪态(R
12、eady)：进程等待系统为其分配CPU，而CPU被其他进程占用，所以暂时不能运行，但此时进程已经具备了执行的所有条件。阻塞态(Blocked)：也可称为等待态、挂起态或睡眠态等，此时进程因等待某个事件而暂时不能运行，例如等待某个I/O事件的完成，或等待使用某个资源等。,2进程状态转换原因 运行阻塞：进程出让CPU，等待系统分配资源或某些事件的发生，如暂时不能访问某一资源，操作系统尚未完成服务，系统正在初始化I/O设备，等待用户的输入信息等。 运行就绪：进程分配的时间片已用完，或者在中断机制下，有更高优先级的进程进入系统，这时进程进入就绪队列等待下一次被选中而占用CPU。当进程创建成功时处于就绪
13、态。阻塞就绪：处于阻塞队列中的进程，当其等待的事件已经发生或等待的资源可用时，此进程将进入就绪队列竞争CPU。就绪运行：进程被调度程序选中占用CPU。,图2.6五种进程状态转换,以上是进程的基本状态转换关系。实际的操作系统中进程的状态及转换要更为复杂，引入了五种状态，即运行、就绪、新建、阻塞和终止。,对于有部分进程存在于外存中的情况，进程又增加了挂起就绪态(存在于外存可以执行的进程状态)和挂起阻塞态(存在于外存等待某事件的进程状态)，其状态转换图如图2.7所示。,图2.7七种进程状态转换,3.进程队列在系统中存在有许多不同状态的进程，为了便于对诸多进程进行管理和调度，必须将各进程的PCB按照某
14、种方法组织起来，队列就是其中一种比较常用的方法。系统将同种状态的PCB排成一个队列，利用指针组成单向链表或双向链表，方便查找和调度。 当进程状态变化时，它就要被排到另外的队列中，引起进程的出队和入队。处理器有专门管理出队和入队工作的模块，简称队列管理。图2.8描述了队列管理的过程。,图2.8队列管理(1),数目 一个系统中，数十个、数百个甚至数千个链接组织方式把具有同一状态的PCB链接成一个队列; 就绪队列、若干个阻塞队列、空队列.,图2.8队列管理(2),数目 一个系统中，数十个、数百个甚至数千个索引组织方式建立相应的索引表 就绪索引表、阻塞索引表,2.2.4进程控制进程控制的主要任务是创建
15、和撤消进程以及实现进程的状态转换。为了对进程进行有效的控制，操作系统必须设置一套控制机构，它具有以下功能：创建一个新进程，撤消一个已经运行完的进程，改变进程状态，实现进程间的通信，这就是操作系统内核(kernel)的功能。 原语(primitive)是指由机器指令构成的可完成特定功能的程序段。它是一个机器指令的集合，在执行时不能中断，是一个不可分割的整体。在现代操作系统中，原语的执行多采用屏蔽中断的方法。随着计算机硬件的发展，还可以将原语固化。,进程创建的时机有：P. 44 进程终止的原因主要有以下几种：(1)正常结束：进程完成了程序代码段指定的所有操作，让出CPU。(2)非法使用特权指令：比如进程在算态下使用了管态的指令。(3)内存空间不足：进程申请的内存空间太大，系统无法满足。(4)等待时间过长：系统设定有进程等待的最大时间，超出的进程都将被终止。(5)地址越界：进程使用的地址超出了规定的可用地址空间。(6)非法使用共享内存区：各进程对共享内存的使用权限不同，进程的操作要视权限而定，不得越权使用。,
