《操作系统 第二版 教学课件 ppt 作者 宗大华 肖霞 宗涛 14681-第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统 第二版 教学课件 ppt 作者 宗大华 肖霞 宗涛 14681-第2章（181页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 处理机管理,2.1 进程 2.2 进程控制块 2.3 进程的调度与管理 2.4 作业调度,本章着重讲述四个方面的内容： （1）进程概念的引入。 （2）进程的组成与管理。 （3）处理机的调度算法。 （4）处理机的二级调度与作业管理。,2.1 进 程,2.1.1 多道程序设计 所谓“程序”，是一个在时间上严格有序的指令集合。程序规定了完成某一任务时，计算机所需做的各种操作，以及这些操作的执行顺序。,在单道程序设计环境下，系统具有如下特点。 （1）资源的独占性：任何时候，位于内存中的程序可以使用系统中的一切资源，不可能有其他程序与之竞争。,（2）执行的顺序性：内存中每次只有一个程序，各个程序
2、是按次序执行的，即做完一个，再做下一个。,绝对不可能出现在一个程序运行过程中，又夹杂进另一个程序执行的现象存在。,（3）结果的再现性：只要执行环境和初始条件相同，重复执行一个程序，获得的结果总是一样的。,在多道程序设计环境下，内存中允许有多个程序存在，它们轮流地使用着CPU。,图2-1 不同环境下程序的执行特性,图2-2 对两个程序的描述,在多道程序设计环境下，系统具有如下特点。,（1）执行的并发性：从宏观上看，同时在内存的多个程序都在执行着，在按照自己程序规定的步骤向前推进；从微观上看，由于CPU在任何时刻只能执行一个程序，因此这些程序轮流占用CPU，交替地执行着。,把“逻辑上相互独立的程序
3、，在执行时间上相互重叠，一个程序的执行还没有结束，另一个程序的执行已经开始”的这种特性，称为程序执行的并发性。,（2）相互的制约性：内存既然运行着多个程序，它们又共享系统内的资源，相互之间必然会呈现出各种各样的制约。一种是间接制约关系，一种是直接制约关系,（3）状态的多变性：由于诸多程序在系统中并发执行，它们之间在运行过程中存在着各种各样的制约关系，造成内存中每一个程序的状态总处于不断变化之中。,在多道程序设计环境下，“程序”具有了与单道程序设计环境下截然不同的特性。,一方面为了保持程序“是一个在时间上严格有序的指令集合”这个概念的原有含义，另一方面为了刻画多个程序共同运行时呈现出的这些特征，
4、在操作系统中，以“程序”为基础，又引入了“进程”这一新的概念。,2.1.2 进程的定义 可以从如下三个方面来描述进程.,（1）进程是程序的一次运行活动。 （2）进程的运行活动是建立在某个数据集合之上的。 （3）进程在获得资源的基础上从事自己的运行活动。,本书把进程的定义描述为：所谓“进程”是指一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。,在多道程序设计系统中，既运行着操作系统程序，又运行着用户程序，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。,这是两类不同性质的进程，主要区别如下。,（1）系统进程之间的相互关系由操作系统负责协调，以便有利于
5、增加系统的并行性，提高资源的整体利用率；用户进程之间的相互关系要由用户自己（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（以命令的形式）。,（2）系统进程直接管理有关的软、硬件资源的活动；用户进程不得插手资源管理。在需要使用某种资源时，必须向系统提出申请，由系统统一调度与分配。,（3）系统进程与用户进程都需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。,2.1.3 进程的特征 进程是程序的一次执行过程，程序是进程赖以存在的基础，进程的主要特征以及与程序的区别有如下几个方面。,（1）“进程”是一个动态的概念。进程强调的是程序的
6、一次“执行”过程，程序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”，因此是一个静态的概念。,（2）不同进程可以执行同一个程序。即使多个进程执行同一个程序，只要它们运行在不同的数据集合上，它们就是不同的进程。,（3）每一个进程都有自己的生命期。当系统要完成某一项工作时，它就“创建”一个进程，程序执行完毕，系统就“撤销”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；一个进程撤销后，系统就无法再感知到它。从创建到撤销，这个时间段就是一个进程的“生命期”。,（4）进程之间具有并发性。在一个系统中，同时会存在多个进程。于是与它们对应的多个程序同时在系统中运行，轮流
7、占用CPU和各种资源。,（5）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。,2.1.4 进程的基本状态 进程在其生命期内，可以处于下面三种基本状态之一。,（1）运行状态：获得CPU的进程处于此状态，其对应的程序正在处理机上运行着。,（2）阻塞状态：进程为了等待某种外部事件的发生（如等待输入/输出操作的完成，等待另一个进程发来消息），暂时无法运行。阻塞状态也称等待状态或挂起状态。,（3）就绪状态：已具备运行所需的一切条件，只是由于别的进程占用处理机而暂时无法运行。,一个进程的状态，可以随着自身的推进和外界环境的变
8、化而变化，从而使其从一种状态变迁到另一种状态。图2-3所示为进程状态变迁图，,图2-3 进程状态的变迁图,例2-1 图2-3所示的进程状态变迁图，在什么条件下会发生下面给出的因果变迁（意为由一个进程的状态变迁必定引起另一个进程的状态变迁）。,（1）一个进程从运行状态变为就绪状态，一定会引起另一个进程从就绪状态变为运行状态。,（2）一个进程从运行状态变为阻塞状态，一定会引起另一个进程从运行状态变为就绪状态。,（3）一个进程从阻塞状态变为就绪状态，一定会引起另一个进程从就绪状态变为运行状态。,2.2 进程控制块,2.2.1 进程的三个组成部分 一个进程创建后，需要有自己对应的程序以及该程序运行时所
9、需的数据，,为了管理和控制进程，系统在创建每一个进程时，都为其开辟一个专用的存储区，用以随时记录它在系统中的动态特性。,而当一个进程被撤销时，系统就收回分配给它的存储区。把这一存储区称为该进程的进程控制块（Process Control Block，PCB）。,由于PCB是随着进程的创建而建立，随着进程的撤销而取消的，因此系统是通过PCB来“感知”一个个进程的，PCB是进程存在的唯一标志。,这样，在计算机系统内部，一个进程要由三个部分组成：程序、数据集合以及PCB。,图2-4 进程的不同表示,（a） （b） （c）,2.2.2 进程控制块的内容 随操作系统的不同，PCB的格式、大小以及内容也不
10、尽相同。通常，在PCB中大致应包含如图2-5所示的四方面的信息。,图2-5 PCB所包含的信息,（1）标识信息 （2）说明信息 （3）现场信息 （4）管理信息,表2-1所示为实时操作系统RTOS中PCB的具体构成。,表2-1 RTOS的PCB组成,2.2.3 进程控制块队列 在多道程序设计环境里，同时会创建多个进程。,当计算机系统只有一个CPU时，每次只能让一个进程运行，其他的进程或处于就绪状态，或处于阻塞状态。,为了对这些进程进行管理，操作系统要做三件事。,（1）把处于相同状态的进程的PCB，通过各自的队列指针链接在一起，形成一个个队列。,（2）为每一个队列设立一个队列头指针，它总是指向排在
11、队列之首的进程的PCB。,（3）排在队尾的进程的PCB，它的“队列指针”项内容应该为“1”，或一个特殊的符号，以表示这是该队的队尾PCB。,图2-6 进程PCB队列示意图,2.3 进程的调度与管理,2.3.1 进程调度算法 当系统中有多个进程就绪时，必须决定先执行哪一个。,也就是说，必须决定把CPU分配给谁使用。操作系统中做出这一决定的程序称为“进程调度程序”，该程序中采用的调度方法，称为进程调度算法。,1先来先服务调度算法 先来先服务调度算法的基本思想是：以到达就绪队列的先后次序为标准来选择占用处理机的进程。,一个进程一旦占有处理机，就一直使用下去，直至正常结束或因等待某事件的发生而让出处理
12、机。,图2-8 先来先服务调度算法示意图,2时间片轮转调度算法 时间片轮转调度算法的基本思想是：为就绪队列中的每一个进程分配一个称为“时间片”的时间段，它是允许该进程运行的时间长度。,在使用完一个时间片后，即使进程还没有运行完毕，也要强迫其释放处理机，让给另一个进程使用。,它自己则返回到就绪队列末尾，排队等待下一次调度的到来。,时间片轮转调度算法经常用在分时操作系统中，在时间片轮转调度算法中，时间片大小的设定是一个影响系统效率发挥的重要因素。,图2-9 时间片轮转调度算法示意图,例2-2 有一个分时系统，允许10个终端用户同时工作，时间片设定为100ms。若对用户的每一个请求，CPU将耗费30
13、0ms的时间进行处理，做出回答。试问终端用户提出两次请求的时间间隔最少是多少？,3优先数调度算法 优先数调度算法的基本思想是：为系统中的每个进程规定一个优先数，就绪队列中具有最高优先数的进程有优先获得处理机的权利。,如果几个进程的优先数相同，则对它们实行先来先服务的调度。,确定进程的优先数（也就是进程的优先级）可以从如下几个方面考虑。,（1）根据进程的类型。 （2）根据进程执行任务的重要性。 （3）根据进程程序的性质。 （4）根据对资源的要求。 （5）根据用户的请求。,进程的优先数可以分为静态和动态两类。,4多级队列调度算法 多级队列调度算法也称多级反馈队列调度算法，它是时间片调度算法与优先数
14、调度算法的结合。,实行这种调度算法时，系统中将维持多个就绪队列，每个就绪队列具有不同的调度级别，可以获得不同长度的时间片，如图2-10所示。,图2-10 多级队列调度算法示意图,例2-3 如图2-11所示，通过进程状态变迁图描述了一个进程调度算法。试分析该图，说明该调度算法的基本思想。,图2-11 进程状态变迁,进程调度程序应该具有以下几个方面的主要功能。,（1）记录系统中所有进程的有关情况，比如进程的当前状态，优先数等。,图2-12 进程调度程序的作用,（2）确定分配处理机的算法，这是它的一项主要工作。,（3）完成处理机的分配。要注意，在操作系统中，是进程调度程序实施处理机的具体分配的。 （
15、4）完成处理机的回收。,可以看出，进程调度程序负责具体的处理机分配，完成进程间的切换工作，因此它的执行频率是相当高的，是一个操作系统的真正核心。,通常，在发生下述情况时，会引起进程调度程序的工作。,（1）一个进程从运行状态变成了阻塞状态（如请求进行输入/输出操作）。,（2）一个进程从运行状态变成了就绪状态（如在分时系统中，已经运行满一个时间片）。,（3）一个进程从阻塞状态变成了就绪状态（如等待的输入/输出操作完成）。 （4）一个进程正常运行结束后被撤销。,把处理机分配给进程后，还有一个允许它占用多长时间的问题，具体有两种处理方式，一种是不可剥夺（或不可抢占）方式，另一种是剥夺（或抢占）方式。,
16、所谓不可剥夺方式，即只能由占用处理机的进程自己自愿放弃处理机。,所谓剥夺方式，即当系统中出现某种条件时，就立即从当前运行进程手中抢夺过处理机，重新进行分配。,2.3.2 进程管理的基本原语 为了对进程进行有效的管理和控制，操作系统要提供若干基本的操作，以便能创建进程、撤销进程、阻塞进程和唤醒进程。,为了保证执行时的绝对正确，要求它们以一个整体出现，不可分割。,也就是说，一旦启动了它们的程序，就要保证做完，中间不能插入其他程序的执行序列。在操作系统中，把具有这种特性的程序称为“原语”。,1创建进程原语 调用该原语的进程被称为父进程，创建的新进程被称为子进程。创建进程原语的主要功能有三项。,图2-13 创建进程原语的流程,（1）为新建进程申请一个进程控制块PCB
