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1、第3章 进程管理,山东交通学院 沈祥玖 中国水利水电出版社,第3章 进程管理（1）,3.1 进程的概念和PCB 3.3 进程控制 3.3 线 程,第二章 进程管理 3.1 进程的基本概念,3.1.1程序的顺序执行及特征,1. 基本概念 程序：一个在时间上按严格次序、顺序执行的操作序列。 程序的顺序执行：一个具有独立功能的程序独占处理机，直至得到最终结果的过程 。 操作：数据处理的一种规则，一经启动就需要在有限时间内完成 。 计算：若干操作严格顺序执行的集合 。,3.程序的顺序执行,在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。通常一个程序可分成若干个程序段，
2、它们必须按照某种先后次序执行，仅当前一操作执行后，才能执行后继操作。 例如：进行计算。I:输入操作 C:计算操作 P:打印操作。在进行计算时，总是先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后将结果打印出来。,3.语句的顺序执行,S1：a:=x+y S3：b:=a-5 S3：c:=b+1 如下图，语句S3必须在a被赋值后才能执行；S3也只能在b被赋值后才能执行。,4.程序的顺序执行的特征,顺序性：一个程序的各个部分的执行，严格地按照某种先后次序执行； 封闭性：程序在封闭的环境下运行，即程序运行时独占全部系统资源； 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停
3、顿地执行，还是“停停走走”地执行，都将获得相同的结果。 程序顺序执行的特性，为程序员检测和校正程序的错误带来很大方便。,3.1.3.前趋图,为了描述一个程序的各部分(程序段或语句)间的依赖关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果关系，我们常常采用前趋图方式。,图3-1 九个结点的前趋图,前趋图（续）,P1为初始结点，P9为终止结点每个结点还具有一个重量。 该前趋图，存在下面的前趋关系： P1P2，P1P3，P1P4，P3P5，P3P5，P4P6，P4P7，P5P8，P6P8，P7P9，P8P9；或表示为： =P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9 =(P1,P2),(P1,P
4、3),(P1,P4), (P2,P5),(P3,P5),(P4,P6), (P4,P7),(P5,P8),(P6,P8), (P7,P9),(P8,P9),前趋图（续）,前趋图中的每个结点可以表示一条语句、一个程序段或进程，结点间的有向边表示两个结点之间存在的偏序(Partial_Order)或前趋关系(Precedence_Relation)“”(Pi,Pj)|在Pj开始前Pi必须完成如果(Pi,Pj)，可写成PiPj，Pi是Pj的直接前趋，Pj是Pi的直接后继。前趋图中必须不存在循环，如下图不是前趋图。,3.1.3 程序并发执行及特征,1.并发环境： 在一定时间内物理机器上有两个或两个以上
5、的程序同处于开始运行但尚未结束的状态，并且次序不是事先确定的,3. 程序的并发执行,在对一批程序进行处理时，可以并发执行。 例如，输入、计算、打印三个程序对一批作业进行处理时，存在以下的前趋关系： IiCi，IiIi+1，CiPi，CiCi+1，PiPi+1,图 3-3 并发执行时的前趋图,在上例中存在下述前趋关系： IiCi，IiIi+1, CiPi, CiCi+1，PiPi+1 在Pi-1和Ci以及Ii+1之间，可以并发执行。 对于具有下述四条语句的程序段： S1: a=x+3 S3: b=y+4 S3: c=a+b S4: d=c+b,图 3-3 四条语句的前趋关系,3.程序的并发执行的
6、特征,不可再现性：由于程序的并发执行，打破了由另一程序独占系统资源的封闭性，因而破坏了可再现性。 间断性：程序并发执行时，由于它们共享资源或程序之间相互合作完成一项共同任务，因而使程序之间相互制约。 通信性：对于相互合作的程序，为了更有效地协调运行，相互之间进行通信。 独立性：并发程序在运行过程中，既然是作为一个独立的运行实体，它也必然具有作为一个单位去获得资源的独立性。,4.多道程序设计,定义：Multiprogramming 多道程序设计是指允许多个程序同时进入内存并运行（引入目的是为了提高系统效率） 与并发不完全是一个概念，但效果相似 考虑因素： 在多道程序环境下如何向用户提供服务 在并
7、发程序之间如何正确传递消息（通讯） 如何对CPU进行调度，保证每个用户相对公平地得到CPU 如何管理其他资源 当各用户对资源使用上发生冲突时，如何处理竞争 对CPU只能通过调度来解决竞争问题，而对于其他资源通过申请分配使用回收的办法进行管理，当且仅当占有CPU的时候才可以申请，否则要排队等候,3.1.4 进程的特征与状态,1.进程的概念 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位 进程是可与其他程序并发执行的程序，在一个数据集合上的运行过程。它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,2. 进程的特征,动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，
8、进程是动态产生，动态消亡的，进程在其生命周期内，在三种基本状态之间转换 并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推进 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位； 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进 结构特征：为了控制和管理进程，系统为每个进程设立一个进程控制块 PCB。,3. 进程与程序的区别,程序是静态的，进程是动态的; 进程更能真实地描述并发,而程序不能; 一个程序可对应多个进程，反之亦然; 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的；而程序是相对长久的; 程序可作为软件资源长期保存，进程只是一次执
9、行过程，是暂时的； 进程是系统分配调度的独立单位，能与其他进程并发执行; 进程是由程序和数据两部分组成的 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有,4. 进程创建与中止,1）进程何时创建 提交一个批处理作业 用户登录 由OS创建，用以向一用户提供服务( 如：打印文件) 由已存在的一进程创建 一个用户程序可创建成多个进程 进程何时中止 批处理作业发出暂停（Halt）指令 用户退出登录 进程执行一中止服务请求 出错及失败因素,5. 进程中止的原因,正常结束 给定时限到 缺少内存 存储器出界 保护性出错：例子: 写只读文件 算术错 超出时间：进程等待超过对某事件的最大值 I/O 失败 无效指令：如试图
10、执行数据 特权指令 操作系统干预：如当死锁发生时 父进程请求中止某一子进程 父进程中止，所以子进程也中止,运行,就绪,等待,图34 进程的状态及其转换,进程状态（续）,当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源时，它便处于就绪状态，一旦获得CPU，便立即执行。 已获得CPU的进程进入执行状态。 正在执行的进程，由于发生某个事件而暂时无法执行时，便放弃处理机而进入阻塞状态。 由于执行的进程变为阻塞状态后，调度程序立即把处理机分配给另一个就绪进程；因此，阻塞进程的事件消失后，进程不会立即恢复到执行状态，而转变为就绪状态，重新等待处理机。,2）进程状态转换条件,在进程运行过程中，由于自身进展情况及外界
11、环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相互转换： 就绪 运行 调度程序选择一个新的进程运行 运行 就绪 运行进程用完了时间片 运行进程被中断，因为一高优先级进程处于就绪状态,进程状态转换条件（续）,运行 等待 当一进程必须等待时 OS尚未完成服务 对一资源的访问尚不能进行 初始化I/O 且必须等待结果 等待某一进程提供输入 (IPC) 等待 就绪 当所等待的事件发生时,创建状态 终止状态 挂起状态 （调节负载，对换，父进程，操作系统，终端用户）,3）其他状态,创建( 新new)状态,OS 已完成为创建一进程所必要的工作 已构造了进程标识符 已创建了管理进程所需的表格 但还没有允许执行该进
12、程 (尚未同意) 因为资源有限,终止（退出exit)状态,中止后进程移入该状态 它不再有执行资格 表格和其它信息暂时由辅助程序保留 例子: 为处理用户帐单而累计资源使用情况的财务程序 当数据不再需要后，进程(和它的表格)被删除,4）具有挂起操作的进程状态转换图,有的系统有时希望能人为地把进程挂起，使之处于静止状态，以便研究其执行情况或对它进行修改。下图示出了具有挂起状态的进程状态演变图。,图35 具有挂起状态的进程状态演变图,五状态进程模型,准备退出：父进程可中止子进程,七状态进程模型,7. 进程控制块（PCB）,系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，存放了用于描述该进程情况和控制进程运行
13、所需的全部信息。 系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知进程存在的唯一标志 进程与PCB是一一对应的,1)进程控制块的内容,进程标识符：标识一个进程的编号，也称为进程的内部名； 现性状态：说明进程的当前状态； 现场保留区：保存进程由执行状态变为其它状态时的CPU现场信息； 程序与数据地址：该进程的程序和数据所在位置信息； 互斥与同步机构：实现进程间互斥与同步时所必须的机构；,进程控制块的内容（续）,进程通信机制：用于实现进程间的通信所需的数据结构； 优先级：表示进程使用CPU时优先级别的一个整数； 资源清单：列出进程拥有的资源的记录； 连接字：给出本进程所在队列中的下一个进程的P
14、CB首址； 家族联系：用于说明本进程与其它家族成员间的关系。,3)进程映象 (进程要素),用户程序 用户数据 栈 用于过程调用和参数传递 进程控制块PCB (执行上下文) 控制进程所需的数据(进程属性)，包括: 进程标识符信息 处理器状态信息 进程控制信息,3）进程控制块的组织方式,为了有效地对进程控制块进行管理，应该采用适当的方式把它们组织起来。 目前常用的组织方式有以下两种： 按链接方式组织PCB (队列) 不同状态进程分别组成队列 运行队列、就绪队列、等待队列 按索引方式组织PCB (表) 对具有相同状态的进程，分别设置各自的PCB索引表，表明PCB在PCB表中的地址 （其他方式：线性表
15、或链表）,按索引方式组织PCB,按链接方式组织PCB,3.3 进程控制,1.进程控制的主要任务 进程控制是对系统中所有进程从产生、存在到消亡的全过程实行有效的管理和控制。进程控制一般是由操作系统的内核来实现，内核在执行操作时，往往是通过执行各种原语操作来实现的。,3.进程图,进程图是一棵有向树(如下图)，结点代表进程。一棵树表示一个家族，根结点为该家族的祖先(Ancestor)。,3.进程图和前趋图之间的差异,前趋图描述的是任务(或进程)之间的前趋关系；只有在前趋进程完成后，其后继进程才能运行； 在进程图中，创建者和被创建者可以并发执行，也可以父进程等待其所有的子进程结束后再执行，这完全取决于
16、创建原语和创建者的需要。原语：是由若干条机器指令所构成，用以完成特定功能的一段程序,4.内核与原语,内核：加在硬件上的第一层软件，通过执行各种原语操作来实现各种控制和管理功能，具有创建、撤消、进程通信、资源管理的功能。 内核的基本功能 支撑功能：中断处理、时钟管理、原语操作 资源管理功能：进程管理、存贮管理、设备管理 原语：是由若干条机器指令所构成，用以完成特定功能的一段程序 。,5.进程控制,创建、撤消进程以及完成进程各状态之间的转换。由具有特定功能的原语完成。 进程创建原语 进程撤消原语 阻塞原语 唤醒原语 挂起原语 激活原语,1)创建原语,功能：创建一个具有指定标识符进程 入口信息：进程标识符、优先级、进程开始地址、初始CPU状态、资源清单等。,进程创建过程,创建一个PCB 赋予一个统一进程标识符 为进程映象分配空间 初始化进程控制块 许多默认值
