l处理机管理课件

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1、1,第2章 处理机管理,2.1 作业 2.2 进程 2.3 线程 2.4 小结,2,提高处理机（CPU）的使用率，使它尽可能处于工作状态，是操作系统管理功能的主要目标之一。 在Linux系统中，提高处理机使用率的技术措施主要是多道和分时，处理机在进程之间切换，按照一定的规则轮流执行每个进程。对于单个处理机的系统，这些进程宏观上看似并行执行，而微观上来看仍然是串行执行的，这种执行方式被称为并发执行。操作系统通过并发控制机制，对处理机进行分配、调度，在保证每个进程都得到公平合理执行的同时，使系统中的各种资源得到充分的使用。 本章主要围绕处理机管理展开，着重介绍进程的概念，同时也包括相关的两个基本概

2、念：作业和线程。,3,2.1 作业 作业是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位，是用户在一次事务处理或计算过程中要求计算机所做工作的总和。 作业和程序是两个相互联系而又不同的概念。如果一次业务处理可以由某一个程序完成，就是说这个业务处理只要提交这一个程序就够了，这种情况下，这个程序就是一个作业。通常，完成一次业务需要由多个程序协同完成，这时，多个程序、这些程序需要的数据以及必要的作业说明一起构成一个作业。系统通过作业说明书或者作业控制语句(JCL)控制程序和相应的数据执行，完成整个业务处理。,4,按照对作业的处理方式，可以分为联机、批处理等作业。 Linux系统中的shell提供了操作系统和

3、用户之间的联机命令接口。 在多用户系统中，多个用户、不同类型的作业可能同时请求执行，控制和管理这些作业，协调它们之间的关系，就是作业调度，作业调度是处理机调度的一部分。,5,作业调度,作业调度算法的评价因素 作业吞吐量：运行尽可能多的作业； 充分利用资源：CPU忙、I/O设备忙； 对各作业公平、合理，使用户满意：执行时间长短、等待时间等；,检查系统是否满足作业的资源要求，并一定算法选取作业（从输入井的后备作业队列中选择适当的作业，为它分配内存等资源并将其调入内存投入运行） 。 作业调度也称为宏观调度（高级调度）。,6,作业调度算法,先来先服务（FCFS: First Come First Se

4、rve ）：按照作业进入系统的先后次序进行调度，先进入系统者先调度；即启动等待时间最长的作业。 优点：实现简单、公平 缺点：没考虑资源利用率和作业的特殊性 短作业优先（SJF: Shortest Job First ）：以要求运行时间长短进行调度，即启动要求运行时间最短的作业。 优点：易于实现，强调了资源的充分利用，保证了系统 的最大吞吐量（单位时间里处理作业的个数）。 缺点：不公平，会造成长作业长期等待。 结论：假设系统中所有作业同时到达，可以证明采用SJF能得到最短的作业平均周转时间。,7,高响应比优先（HRF: Highest Response Ratio Next ）：响应比最高的作业

5、优先启动。 响应比= 周转时间 / 估计运行时间 =（等待时间+估计运行时间）/ 估计运行时间 = 1 + 等待时间 / 估计运行时间 优点: 公平，吞吐率大 缺点: 增加了计算，增加了开销 高优先级优先（HPF：Highest Priority First）：由用户指定作业优先级，优先级高的作业启动。,8,几个调度性能指标：作业（平均）周转时间、作业（平均）带权周转时间、 1、作业周转时间 如果作业i提交给系统的时刻是ts，完成时刻是tf，该作业的周转时间ti为： ti = tf - ts 实际上，它是作业在系统里的等待时间与运行时间之和。,作业调度性能衡量指标,9,2、平均作业周转时间 为

6、了提高系统的性能，要让若干个用户的平均作业周转时间和平均带权周转时间最小。 平均作业周转时间 T = (ti)n 3、带权周转时间 如果作业i的周转时间为ti，所需运行时间为tk，则称 wi=ti tk 为该作业的带权周转时间。wi1 4、平均作业带权周转时间 ti是等待时间与运行时间之和，故带权周转时间总大于1。 平均作业带权周转时间W = (wi) n,10,作业调度算法应用例子,假设在单道批处理环境下有四个作业，已知它们进入系统的时间、估计运行时间，应用先来先服务、最短作业优先和最高响应比优先作业调度算法，分别计算出作业的平均周转时间和带权的平均周转时间。,11,12,先来先服务调度算法

7、计算结果,13,最短作业优先作业算法计算结果,14,2.2 进程 计算机内存中同时存放多个相互独立的已经开始运行的程序实体，大家按照某种规则轮流使用处理器，这是现代多道操作系统实现资源共享，提高系统资源利用率的主要方式。描述这些程序实体的概念就是进程。 在多道情况下，每个进程独立地拥有各种必要的资源，占有处理机，独立地运行。在多道系统中，同时存在多个进程，所以当某个进程进入等待状态时，操作系统将把处理机控制权拿过来并交给其他可以运行的进程。进程之间存在着相互制约、相互依赖的约束关系。,15,一种最糟糕的情况是所有进程都拥有部分资源，同时在等待其他进程拥有的资源，这样，大家都无法运行，进入一种永

8、久等待的状态，这种情况称为死锁，死锁是对系统资源极大的浪费，必须设法避免。 本节着重讨论现代多道操作系统中的核心概念进程，这是理解操作系统工作原理的基础和关键。首先介绍单个进程的状态、状态转换的条件和控制原语、进程在系统中的静态描述等，接着介绍多个进程之间的约束关系，由此引出进程间通信的概念，通信是协调、解决进程间约束关系的惟一手段，这种约束关系处理不当造成的最严重的后果就是死锁。,16,2.2.1 进程的概念 进程(process)的概念最早出现在60年代中期，用于多道系统，在Linux系统中，进程也称为任务（task）。简单地讲，进程就是正在运行的程序，更为严谨的表达是，进程是一个具有一定

9、独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。 要理解进程，必须了解它的基本性质。 进程是操作系统分配资源和进行调度的独立单位，具有独立性；进程=PCB+程序+数据。同时，具有动态性。多道系统中同时存在多个进程，这些进程拥有各自的资源，各自独立地执行，对于单处理机系统，进程宏观上同时运行而微观上是依次执行，这种情况称为并发执行。,17,1. 进程和程序 进程和程序是一对相互联系的概念。程序是指令的有序集合，是一个静态的概念，描述完成某个功能的一个具体操作过程，而进程是程序针对某一组数据的一次执行过程，更强调动态特征。一个完整的进程，包括程序、执行程序所需要的数据，同时还必须包括记录进程状态的数

10、据资料。 在多道分时操作系统中，按照时间片轮流在各个进程间切换。对于单处理器系统，每一个时刻只能有一个进程在执行，当分配给该进程的时间片用完之后，不管该进程运行到什么程度，都必须立即停止，然后让出处理器资源，下一个进程进入执行状态。,18,让出处理器的进程必须记录好正在运行的状态，包括寄存器、堆栈等各种信息，这些信息保证当处理器下次切换到这个进程的时候，进程能够正确地从上次执行到的位置继续往下执行。 一个程序在处理相同或不同的操作数据时可以同时对应于多个进程。一个进程也可以包含多个程序，某个程序在运行过程中，可能同时会调用到多个其他程序，这些具有调用关系的多个程序共同构成一次完整的运行活动，即

11、一个完整的进程。,19,举一个直观的例子。我们在Linux系统下使用编辑器vi进行编辑，同时打开多个窗口，编辑多个不同名称的文件，vi编辑器是一个可执行程序，不同的文件就是不同的操作数据，而对应于这些文件同时打开的每一个编辑窗口就对应着一个进程，每一个进程都处于不同的状态。 如果说程序是提供计算机操作的一组工作流程的话，进程就是具体的工作过程，按照同样的工作流程，针对不同的原料，可以同时开始多个工作过程，得到多种不同的成品。这种工作流程和工作过程的关系就可以类比为程序和进程的关系。,20,进程与程序的区别,进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计算机

12、之间迁移；而程序通常对应着文件，是静态的和可以复制的。 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。 进程能真实描述并发执行，程序不能：进程是独立调度并能和其他进程并行执行的单位。 进程可以创建其它进程，而程序不能； 进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存。 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。,21,2. 进程和作业 作业是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位，是用户在一次事务处理或计算过程中要求计算机所做工作的总和。 进程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集

13、合的一次运行活动，是操作系统分配资源和进行调度的基本单位。 作业是描述用户向系统提交工作任务的实体单位，而进程是系统完成工作任务时程序执行的实体单位。从这个角度讲，他们处于不同的层次，作业描述用户和操作系统之间的任务委托关系，而进程描述操作系统内部任务的具体执行过程。,22,对于批处理系统，通常，作业放在外存中专门的作业队列中等待进入内存执行，要经过一次宏观调度，由外存进入内存，以进程的形式运行。而对于UNIX/Linux这样的分时系统，没有宏观调度，作业不经过调度，直接进入内存，以进程的形式开始运行。任何一个进程，都存在于内存中，并且是已经开始运行的动态实体。,23,2.2.2 进程描述 进

14、程是一个动态的概念，描述程序的一次运行活动。它存在于系统的内存中，是操作系统可感知、可控制的动态实体，是系统分配各种资源、进行调度的基本单位。 1. 进程控制块 现在我们来讨论进程在内存中的静态存在方式。在多道系统中，处理机在多个进程之间来回切换，每个进程都会在暂停、运行这两种状态之间来回转换。当一个进程在处理机切换过来重新进入运行状态时，它必须严格精确地接着上次运行的位置继续进行，进程的静态描述可以保持切换现场，确保准确衔接，保证进程调度的实现，顺利完成程序所规定任务。,24,进程切换现场称为进程上下文(context)，包含了一个进程所具有的全部信息，一般包括：进程控制块（Process

15、Control Block，PCB）、有关程序段和相应的数据集，具体组成见图2.1。程序段是某个进程执行的相关指令集合，和静态的程序段有明确的对应关系，相应数据集是这个程序段正在操作的那部分数据，PCB是记录进程各种状态的数据体，PCB是操作系统管理感知、控制进程的数据实体，通过它，就可以找到进程的程序段和数据集，系统正是通过PCB来控制进程的。一般来讲，PCB记录着进程的所有资料，是全部或部分常驻内存的，PCB记录着程序段和数据集的地址指针，通过这些指针，就可以得到具体的指令和数据。,25,PCB记录了进程的全部控制信息，一般较庞大而复杂，它可以按照功能大概分成四个组成部分：进程描述信息、进

16、程控制信息、进程相关的资源信息和CPU现场保护结构（如图2.1）。 图2.1 进程描述数据关系示意图（进程上下文）,26,2. Linux的PCB Linux系统的进程控制块PCB用一个称为task-struct的结构体来描述。 (1) 进程描述信息 通过进程描述信息，Linux系统可以惟一地确定某一个进程的基本情况，可以了解该进程所属的用户及用户组等信息，同时还能确定这个进程与所有其他进程之间的关系。这些描述信息包括：进程号、用户和组标识以及描述进程家族关系的连接信息。,27, 进程号（pid， process identifier） Linux系统为每一个进程分配一个标识号，通过这个标识号识别、控制、调度这个进程，别的进程也通过这个标识号来识别这个进程并与之通信，用户也可以使用操作命令或系统调用通过标识号来控制该进程。 用户和组标识（user and group identifier） Linux系统中有四类不同的用户和组标识，主要用来控制进程对系统文件的访问权限，实现系统资源的安全访问。 Linux使用组将文件和目录的访问特权授予一组用户，一个进程可以同时