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1、第2章 进程与线程,本章目录,2.1 进程的概念,2.1.1 多道程序设计环境下的程序特点,2.1.2 进程的定义,2.2 进程的管理,2.2.1 进程控制块,2.2.2 进程控制块队列,2.4.3 Linux进程的生存过程,2.2.3 进程控制的系统调用命令,2.1.3 进程的状态及状态变迁,2.3 线程,2.3.1 线程的概念,2.3.2 线程的实现,2.3.3 线程与进程的关系,2.4 Linux的进程,2.4.1 Linux进程,2.4.2 Linux的几种链接信息,2.1 进程的概念,2.1.1,多道程序设计环境下的程序特点,.,单道程序设计环境下的程序特点,1.,资源的独占性,程序
2、A,程序B,程序C,时间,4,2,3,4,2,4,5,3,3,0,4,6,9,14,18,20,23,26,30,图例：打印机输出CPU执行,.,.,执行的顺序性,结果的再现性,多道程序设计环境下的程序特点,2.,程序A,时间,0,4,6,9,12,15,17,13,18,22,程序B,程序C,.,执行的并发性：宏观上，在内存的多个程序都按自己程序规定的操作步骤向前推进；微观上，CPU在任何时刻只执行一个程序，它们轮流占用CPU，交替地执行着。,.,相互的制约性：内存里的多个程序共享系统中的资源，相互间必然有各种制约。一种是“间接制约关系”，另一种是“直接制约关系” 。,程序P1调用echo(
3、)函数，getchar()接收到从键盘输入的字符x，在将其存于变量chin后被中断；,程序P1从断点恢复执行。此时由于P2调用了echo()，chin里原先的x被y所覆盖。于是，在屏幕上显示的是y，而不是x。,程序P1调用echo()函数，getchar()接收到从键盘输入的字符x，然后在屏幕上显示出字符x；,.,状态的多变性：诸多程序在运行过程中有着各种制约关系，致使内存中每一个程序的状态总在不断的变化之中：时而获得CPU处于运行状态；时而由于输入/输出或申请某种资源未得到满足而只好挂起来等待。它们走走停停，停停走走，交替式地向前推进，直至终点。,例2-1 ：,在多道程序设计环境下，“结果再
4、现性”被打破的简单例子,void echo() chin = getchar();chout = chin;putchar(chout); ,执行顺序1 ：,程序P2调用echo()函数，getchar()接收到从键盘输入的字符y，然后在屏幕上显示出字符y。,（1）,（2）,.,.,执行顺序2 ：,（1）,（2）,（3）,程序P2获得CPU使用权，调用echo()函数，从头做到尾，屏幕上显示字符y；,返回目录,.,2.1.2 进程的定义,1.,进程的定义,.,进程是程序的一次运行活动；,进程的运行活动是建立在某个数据集合之上的；,进程要在获得资源的基础上从事自己的运行活动。,所谓“进程”是指一
5、个程序在给定数据集合上的一次执行过程，是系统进行资源分配和运行调度的独立单位。,可从三个方面来描述进程：,（1）,（2）,（3）,例2-2 ：,驼峰溜放控制过程中的进程,驼峰,到达场,编组场,溜放中 的一勾车,雷达 测速、测长,道岔 (轨道电路),一列新货车,一列解体货车,缓行器,1,2,3,4,5,6,7,8,股道号,溜放中 的一勾车,扳道岔程序,.,.,缓行器控制程序,.,雷达测速程序,.,雷达测长程序,.,巡回检测程序,2.,进程与程序的关系,进程是一个动态的概念，强调的是程序的一次“执行”过程；程序则是一组有序指令的集合，在多道程序设计环境下，它不涉及“执行”，是一个静态的概念。,.,
6、.,不同进程可执行同一个程序。由进程的定义可知，区分进程的条件一是所执行的程序，二是数据集合。即使多个进程执行相同的一个程序，只要它们运行在不同的数据集合上，它们就是不同的进程。,.,每个进程都有自己的生命期。进程的本质是程序的一次执行过程，当系统要完成某项工作时，它就“创建”一个进程，以便执行事先编写好的、完成该工作的那段程序。程序执行完毕、完成预定的任务后，系统就“撤消”这个进程，收回它所占用的资源。一个进程创建后，系统就感知到它的存在；一个进程撤消后，系统就无法再感知到它。于是从创建到撤消，这个时间段就是一个进程的“生命期”。,.,进程之间具有并发性。在一个系统中，同时会存在多个进程，与
7、它们对应的多个程序同时在系统中运行，轮流占用CPU和各种资源。这正是多道程序设计的初衷，说明这些进程在系统中并发执行着。,.,进程间会相互制约。由于进程是系统中资源分配和运行调度的单位，因此在对资源共享和竞争中，必然会相互制约，影响了各自向前推进的速度。,通常，系统进程运行在核心态，用户进程运行在用户态。不过，在微内核模式下，只有那些执行基本功能程序的进程，运行在核心态，那些执行非基本程序的进程，则以各种服务的形式运行在用户态。,系统进程与用户进程都要使用系统中的各种资源，它们都是资源分配与运行调度的独立单位，但系统进程的使用级别，应该高于用户进程。也就是说，在双方出现对资源的竞争时，系统进程
8、有优先获得资源、优先得到运行的权利。只有这样，才能保证计算机系统高效、有序的工作。,系统进程直接管理软、硬件资源的有关活动；而用户进程则不得插手资源管理，在需要使用资源时，必须向系统提出申请，由系统统一调度与分配。,系统进程间的相互关系由操作系统负责协调，以利于增加系统的并行性，提高资源的整体利用率；用户进程间的相互关系由用户自己（在程序中）安排。不过，操作系统会向用户提供一定的协调手段（以系统调用命令的形式）。,3.,系统进程与用户进程,.,在多道程序设计系统中，既有操作系统程序，又有用户程序，因此整个系统中存在着两类进程：一类是系统进程，一类是用户进程。,.,操作系统中用于管理系统资源的那
9、些可以并发执行的程序，构成了一个个系统进程，它们提供系统的服务，分配系统的资源；而可以并发执行的用户程序段，形成一个个用户进程，它们是操作系统的服务对象，是系统资源的实际享用者。,.,系统进程与用户进程的主要区别 ：,（1）,（2）,（3）,（4）,返回目录,终止：进程或正常结束，或因某种原因被强制结束。这时，系统正在为其进行善后处理。,阻塞：进程正在等待某事件（如I/O完成）的发生。在事件到来之前，即使把CPU分配给这个进程，它也无法运行。阻塞状态有时也被称为等待状态。,运行：进程获得CPU正在被执行中。若系统只有一个CPU，那么任何时候系统中最多只有一个进程处于运行状态。,就绪：进程已具备
10、运行的条件，只要有机会获得CPU，它就可以投入运行。,创建：进程正在初创时期，操作系统还没把它列入可执行的进程行列。,2.1.3,进程的状态及状态变迁,1.,进程的基本状态和状态变迁,.,.,就绪,提交,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,三种最 基本的状态,创建,进程的五种状态,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,进程状态的变迁,进程从一个状态改变成另一 个状态，称为进程状态的“变迁”。箭头上的文字，是引起状态变迁的原因。并不是所有的进程状态之间都可发生变迁。,.,可能的变迁为:创建就绪 ,就绪运行 ,运行就绪,运行阻塞 ,阻塞就绪 ,运行终止,就绪/挂起：进程在辅存
11、。只要被激活，进程就可以调入内存，如果获得CPU就可以投入运行。,2.,对进程状态更细致的划分,就绪/挂起,就绪,激活,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,挂起,阻塞/挂起,激活,挂起,事件发生,创建,提交,提交,挂起,.,.,若内存中现有的进程都在等待I/O的完成，CPU只能空闲运转。这无疑是对系统资源的一种浪费。,.,使用磁盘与内存间的交换技术，可达到提高CPU利用率的目的。,新增两个状态,（1）,（2）,阻塞/挂起：进程在辅存等待事件的发生。只要被激活，进程就可以调入到内存里去等待事件的发生。,.,处于这两种状态的进程，表示它们是在辅存而不是内存。只有通过“激活”，才
12、可以使这些进程的状态变迁为“就绪”或“阻塞”，从而进入内存。,.,这时，比较重要的变迁是：阻塞阻塞/挂起 ，阻塞/挂起就绪/挂起 ，就绪/挂起就绪 ，就绪就绪/挂起 ，创建就绪，创建就绪/挂起，阻塞/挂起阻塞 ，运行就绪/挂起 。,返回目录,进程控制块里包括四种基本信息：标识信息、现场保护区信息、调度信息以及管理信息 。,程序代码及与代码相关联的数据集合，是组成一个进程的实体。但它们都是静态文本，无法反映进程的各种动态特征。,2.2 进程的管理,2.2.1 进程控制块,.,.,.,1.,进程控制块,为便于管理和控制进程的执行，为随时刻画进程的动态特性，为反映进程间的相互关系，操作系统用一个与进
13、程有关的数据结构来完成这样的任务。这个数据结构被称为“进程控制块(PCB)”，它由操作系统创建和管理。,标识信息,现场保护区 信息,调度信息,管理信息,进程标识符(进程名),进程标识数(PID),家族关系(父进程),家族关系(子孙进程),通用寄存器,指令计算器,程序状态字(PSW),用户栈指针,进程状态,进程优先数(级/权),等待原因,队列指针,程序存放位置,资源使用历史,打开的文件,数据存放位置,由于进程控制块PCB里包含着一个进程所需要的所有信息，因此它是操作系统中最重要的一种数据结构。进程的PCB是系统感知一个进程实际存在的唯一实体。,.,2.,进程的三个组成部分,.,.,操作系统中进程
14、由三个部分组成，称为“进程映像” 。,（1）,（2）,（3）,程序：进程将要执行的程序；,数据：用户空间中的可修改部分，如数据、堆栈、可修改程序；,进程控制块PCB：记录操作系统管理、控制进程所需要的数据信息。,进程映像的表示,PCB,PCB,PCB1,PCB2,程 序,程 序,程 序,数据 集合,数据 集合,数据 集合1,数据 集合2,(a),(b),(c),3.,进程间的切换,进程P0,进程P1,操作系统,中断或系统调用,保护现场到PCB0,从PCB1现场保护区 获取现场信息,中断或系统调用,保护现场到PCB1,从PCB0现场保护区 获取现场信息,执行,执行,执行,被打断 的断点x,从断点
15、x 恢复执行,被打断 的断点y,返回目录,PCB中可以有多个队列指针，以反映进程间的不同关系，比如用另一个指针反映出进程间的家族关系。,还可以有就绪/挂起队列、阻塞/挂起队列等；,队列最后一个PCB的“队列指针”里，放队列结束标志，如“-1”；,操作系统要为每个队列设置一个头指针，通过它及队列中各PCB里的队列指针，可以得到该队列里的所有进程的PCB；,2.2.2 进程控制块队列,.,操作系统是通过PCB来管理系统中 的进程的。最常用的办法是根据进程所处状态的不同，通过PCB中的链接指 针，形成各种管理队列。,.,运行队列 头指针,就绪队列 头指针,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,-1,阻塞队列1 头指针,PCB,PCB,-1,阻塞队列2 头指针,PCB,PCB,PCB,PCB,-1,PCB,队列指针,(a) 带有队列指针的PCB,(b) 由PCB组成的各种队列,几点说明,（1）,（2）,（3）,（4）,返回目录,按系统所采用的调度算法，将其PCB排入就绪队列或就绪/挂起队列。,调用创建进程原语后，系统中出现一个新的进程，就会感知到这个进程的存在。一个进程创建（或“派生”）另一个进程，前者称为父进程，后者称为子进程。,
