操作系统原理讲义第四章

《操作系统原理讲义第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统原理讲义第四章（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,2,第四章 并发处理,3,第四章 并发处理,4.1 并发活动进程的引人 操作系统的特性之一是并发与共享，即在系统中（内存）同时存在几个相互独立的程序，这些程序在系统中既交叉地运行，又要共享系统中的资源，这就会引起一系列的问题，包括：对资源的竞争、运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等符。 要解决这些问题，用程序的概念已经不能描述程序在内存中运行的状态，必须引人新的概念进程。,4,4.1 并发活动进程的引人 4.1.1 程序的顺序执行,一、概念 一个程序由若干个程序段组成，而这些程序段的执行必须是顺序的，这种程序执行的方式就称为程序的顺序执行。 例如：,5,4.1 并发活动进程的引人 4

2、.1.1 程序的顺序执行 二、程序顺序执行的特点,1.顺序性 处理机严格按照程序所规定的顺序执行，即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。 2.封闭性 程序一旦开始执行，其计算结果不受外界的影响，当程序的初始条件给定之后，其后的状态只能由程序本身确定，即只有本程序才能改变它。 3.可再现性 程序执行的结果与初始条件有关，而与执行时间无关。即只要程序的初始条件相同，它的执行结果是相同的，不论它在什么时间执行，也不管计算机的运行速度。,6,4.1 并发活动进程的引人 4.1.2 程序的并发执行,例： 在系统中有n个作业，每个作业都有三个处理步骤，输入数据、处理、输出，即Ii,Ci,Pi (i=1,

3、2,3,.,n)。 这些作业系统中执行时是对时间的偏序，有些操作必须在其它操作之前执行，这是有序的，但有些操作是可以同时执行的。 例如: I1、C1、P1的执行必须严格按照I1，C1，P1的顺序，而P1与I2，C1与I2，I3与P1是可以同时执行的。,7,4.1 并发活动进程的引人 4.1.2 程序的并发执行,例如: I1、C1、P1的执行必须严格按照I1，C1，P1的顺序，而P1与I2，C1与I2,I3与P1是可以同时执行的。,8,4.1 并发活动进程的引人 4.1.2 程序的并发执行,程序并发执行 （定义） 若干个程序段同时在系统中运行，这些程序的执行在时间上是重迭的，一个程序段的执行尚未

4、结束，另一个程序段的执行已经开始，即使这种重迭是很小的，也称这几个程序段是并发执行的。,9,4.1 并发活动进程的引人 4.1.2 程序的并发执行,程序并发执行的描述 cobegin S1;S2;S3;.;SN coend; Si(i=1,2,3,.,n)表示n个语句（程序段），这n个语句用cobegin和coend括起来表示这n个语句是可以并发执行的。co是concurrent的头两个字符。 这是Dijkstra提出的。,10,4.1 并发活动进程的引人 4.1.2 程序的并发执行,假设有一个程序由 S0Sn+1个语句， 其中 S1Sn语句是并发执行的，程序如下： S0; cobegin S

5、1;S2;S3;.;SN coend; Sn+1;,11,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实行誊抄 一、一个循环程序顺序执行的誊抄,算法1： 输入：f 输出：g while (f 不为空） input ; output ; 由这个程序完成誊抄工作是不会出错的。,12,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实行誊抄 二、两个程序并发执行完成誊抄,设有一台标准输入设备（键盘），和一台标准输出设备（显示器或打印机），输入程序负责从标准设备中读取一个字符，送缓冲区中。输出程序从缓冲区中取数据，送标准设备输出。,13,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实行誊抄 二

6、、两个程序并发执行完成誊抄,算法：2 cobegin while (不为结束符）/* 输入程序段 */ input; /* 从标准输入设备读入一个数据 */ send; /* 将读入的数据送到bufferf */ while(buffer不为空） /* 输出程序段 */ receive; /* 从bufferf中取数据 */ output; /* 送打印机输出 */ coend ,14,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实行誊抄 二、两个程序并发执行完成誊抄,这两个程序段并发执行时可能出现如下情况： 1、输出程序运行的速度比输入程序快时，有些输出会重复； 如输入送入了一个字符“A

7、”，输出取出打印“A”，当输入还未送入新的数据，输出程序已执行，又取出“A”打印，这样“A”的输出就重复了，出错。 2、输入程序执行的速度比输出程序快时，有些数据会丢失； 如输入程序送入一个字符“B”，紧接着（当输出程序还未取走字符“B”）又送入字符“N”，这时输出程序取走的是“N”，“B”就丢失了。,15,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实行誊抄 三、三个并发执行程序的誊抄,get程序负责人输入序列f中读取字符 并送到缓冲区s中; copy程序把缓冲区s中的数据复制到缓冲区t中去; put程序从缓冲区t中取出数据打印。,16,4.1 并发活动进程的引人 4.1.3 并发执行实

8、行誊抄 三、三个并发执行程序的誊抄,假设有两个缓冲区，每个缓冲区只存放一个字符，get程序负责从输入序列f中读一个字符，然后，送到缓冲区s中，copy程序负责将s中的字符复制到t中，put负责从t中提取字符打印。这个算法是正确的。,17,4.1 并发活动进程的引人 4.1.4 与时间有关的错误,假定f系列中有记录 f=(R1,R2,.,Rn) g=() 在誊抄完成后： f=() g=(R1,R2,.,Rn) 算法中的： copyt=s put put(t,g) get get(s,f),18,4.1 并发活动进程的引人 4.1.4 与时间有关的错误,若程序错写成： while(誊抄未完成） c

9、obegin copy; put; get; coend ,初始状态： f=(R1,R2,.,Rn) s=() t=() g=() 首先执行了get(s,f) f=(R1,R2,.,Rn) s=R1,t=(),g=(),19,4.1 并发活动进程的引人 4.1.4 与时间有关的错误,然后，copy,put,get三个程序段并发执行，就有六种组合： 1、copy;put;get 导致结果：g=(R1,R2) 2、copy;get;put 导致结果：g=(R1,R2) 3、put;copy;get 导致结果：g=(R1,R1) 4、put;get;copy 导致结果：g=(R1,R1) 5、get

10、;copy;put 导致结果：g=(R1,R3) 6、get;put;copy 导致结果：g=(R1,R1) 这就是与时间有关的错误。,20,4.1 并发活动进程的引人 4.1.5 程序并发执行的特点,一、失去了程序的封闭性 如果程序执行的结果是一个与时间无关的函数，即具有封闭性。 若一个程序的执行可改变另一个程序的变量，象二个并发程序完成誊抄的例子，程序执行的结果不仅依赖于程序的初始条件，还依赖于程序执行时的相对速度，在这种情况下就失去了程序的封闭性。 教材P62介绍了两个并发程序共享变量的例子,21,4.1 并发活动进程的引人 4.1.5 程序并发执行的特点,二、程序与计算不再一一对应 在

11、程序顺序执行时，一个程序总是对应一个具体的计算，但在程序的并发执行时，可能有多用户共享使用同一个程序，但处理（计算）的对象却是不同的，例如，在多用户环境下，可能同时有多个用户调用C语言的编译程序，这就是典型的一个程序对应多个用户源程序的情况。,22,4.1 并发活动进程的引人 4.1.5 程序并发执行的特点,三、程序并发执行的相互制约 在多道程序设计的环境下，程序是并发执行的。即系统中有多道程序在“同时”执行，这些程序之间要共享系统的资源，程序之间有合作（通信）的关系。合作与竞争产生一系列的矛盾，这些矛盾实际上是一种相互制约，有直接的，也有间接。 回头来，我们再看看操作系统的第三个特性： 不确

12、定性*,23,4.2 进程概念(process) 4.2.1 进程的定义,在多道程序设计的环境下，为了描述程序在计算机系统内的执行情况，必须引人新的概念进程。 进程的概念来自于麻省理工的MULTICS、IBM的 TSS/360，在IBM的OS/360/370系统中也曾叫过任务（task)。,24,4.2 进程概念(process) 4.2.1 进程的定义 进程的定义（枚举法）,行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上执行时所发生的活动称为进程（Dijkstra)。 进程是这样的计算部分，它是可以和其它计算并行的一个计算。(Donovan) 进程（有时称为任务）是一个程序与其数据一道通过处理机的执

13、行所发生的活动。（Alan.C. Shaw) 进程是执行中的程序。（Ken Thompson and Dennis Ritchie ) 教材上给出的进程的定义： 进程，即是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次活动。,25,4.2 进程概念(process) 4.2.1 进程的定义 进程与程序的区别与联系：,1、程序是指令的集合，是静态的概念。 进程是程序在处理机上的一次执行的过程，是动态的概念。程序可以作为软件资料长期保存。进程是有生命周期的。 2、进程是一个独立的运行单位，能与其它进程并行（并发）活动。而程序则不是。 3、进程是竞争计算机系统有限资源的基本单位，也是进行处理机调度

14、的基本单位。 4、一个程序可以作为多个进程的运行程序，一个进程也可以运行多个程序。,26,4.2 进程概念(process) 4.2.1 进程的定义 进程与程序的区别与联系：,例子：光盘（CD、VCD） 光盘（程序） 放光盘的活动（进程）,27,4.2 进程概念(process) 4.2.2 进程的类型,在系统中同时有多个进程存在，但归纳起来有两大类： 1、系统进程 系统进程起着资源管理和控制的作用。 或者：执行操作系统核心代码的进程。 2、用户进程 执行用户程序的进程。,28,4.2 进程概念(process) 4.2.2 进程的类型,系统进程与用户进程的区别： 1、系统进程被分配一个初始的

15、资源集合，这些资源可以为它独占，也能以最高优先权的资格使用。用户进程通过系统服务请求的手段竞争使用系统资源； 2、用户进程不能直接做I/O操作，而系统进程可以做显示的、直接的I/O操作。 3、系统进程在管态下活动，而用户进程则在用户态（目态）下活动。 另一种分类：计算进程，I/O进程等 注意：在UNIX系统中没有这样对进程进行分类。,29,4.2 进程概念(process) 4.2.3 进程的状态,一、进程的基本状态 进程在系统中的活动规律是： 执行 暂停 执行 进程的三种基本状态： 运行状态 就绪状态 等待状态（又称阻塞、挂起、睡眠）,30,4.2 进程概念(process) 4.2.3 进

16、程的状态 一、进程的基本状态,1、就绪状态（Ready) 存在于处理机调度队列中的那些进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就立即可以运行，这些进程所取的状态为就绪状态。（有多个进程处于此状态） 2、运行状态(Running） 当进程由调度/分派程序分派后，得到CPU控制权，它的程序正在运行，该进程所处的状态为运行状态。（在系统中，总只有一个进程处于此状态） 3、等待状态（Wait) 若一个进程正在等待某个事件的发生（如等待I/O的完成），而暂停执行，这时，即使给它CPU时间，它也无法执行，则称该进程处于等待状态。,31,4.2 进程概念(process) 4.2.3 进程的状态 二、进程状态变迁图,进程的状态不是固定不变的，而是在不断变换。,32,4.2 进程概念(process) 4.2.3 进程的状态 二、进程状态变迁图,运行