《操作系统原理与实践教程（第二版） 教学课件 ppt 作者 978-7-302-23697-9 os-ch 03》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统原理与实践教程（第二版） 教学课件 ppt 作者 978-7-302-23697-9 os-ch 03（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 进程同步与死锁,3.1 进程的引入 3.2 进程的概念 3.3 进程控制 3.4 线程 3.5 处理器调度 3.6 调度算法 3.7 多处理器调度和实时调度,3.1.1 程序的顺序执行,在早期的单道程序计算机系统中，一次只能运行一个程序，当有多个程序需要运行时，程序的执行方式必须是顺序的，即必须在一个程序执行完成之后，才允许执行另一个程序。 程序段的顺序执行示意图：,3.1.1 程序的顺序执行,程序顺序执行的特征如下： 顺序性。处理机在执行程序时，严格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作都必须在下一操作开始之前完成。 封闭性。程序一旦开始运行就独占系统资源，只有本程序才能改变资源的状态
2、，执行结果不受外界条件的影响。 可再现性。只要初始条件和运行环境相同，多次执行同一程序，都会得到相同的结果。,3.1.2 程序的并发执行,程序的顺序执行降低了计算机系统的整体处理能力，使系统资源得不到充分利用，效率低下。 为了提高计算机系统的资源利用率，现代计算机普遍采用并发操作，即若干个程序段同时在系统中运行，这些程序段的执行在时间上是重叠的，当一个程序还未执行结束时，另一个可能已经开始运行了。,3.1.2 程序的并发执行,程序的并发执行可以大大提高系统的吞吐量，具有以下三方面的特征： 间断性。为了完成同一项任务而相互合作的多个程序并发执行时，由于互相协调、相互制约会导致“暂停执行暂停”的间
3、断性运行规律。 失去封闭性。程序在并发执行时，多个程序需要共享系统中的多种资源。所以，这些资源的状态是由多个程序改变的，从而使程序的运行失去了封闭性。 不可再现性。程序在并发执行时，由于失去了封闭性，从而导致其失去可再现性。,3.2.1 进程的定义,引入“进程”的原因 是为了使程序能够并发执行，并且能对并发的程序加以描述和控制而引入的。 一般把进程理解为： “可并发执行且具有独立功能的程序在一个数据集合上的运行过程，它是操作系统进行资源分配和调度的基本单位”。 进程是一个程序运行的动态过程，而且该程序必须具有并发运行的程序结构； 运行过程必须依赖一个数据集合而独立运行，从而形成了系统中的一个单
4、位。,3.2.1 进程的定义,进程的五大特性： 动态性 。进程的实质是程序的一次执行过程，是个动态的概念，有一定的生命周期，要经历创建、执行、撤销过程。 结构性 。它由进程控制块、程序段和数据段组成 。 并发性 。指在一个系统内可以同时存在多个进程，它们通过交替使用处理器，从而实现并发执行。 异步性。指进程之间在交替使用计算机资源时没有强制的顺序，按各自独立的、不可预知的速度向前推进 。 独立性。指进程在系统中是一个可独立运行的、具有独立功能的基本单位，也是系统分配资源和进行调度的独立单位。,3.2.1 进程的定义,进程的分类： 系统进程：它们是执行操作系统核心代码的进程，起到对系统资源的管理
5、和控制作用。 用户进程：主要是执行用户程序的进程。 系统进程和用户进程的区别： (1) 系统进程可以独占分配给它们的资源，也能以最高优先级运行；而用户进程需要通过系统服务请求(系统调用)的方式来竞争使用系统资源。 (2) 用户进程不能直接执行I/O操作，而系统进程可以。 (3) 系统进程在内核态(管态)下活动，而用户进程则是在用户态(目态)下活动。,3.2.1 进程的定义,进程和程序既有区别也有联系，主要体现在以下几个方面： (1) 程序是指令集合，是静态概念。 进程是程序在处理机上的一次执行的过程，是动态的概念。 (2) 进程是一个独立的运行单位，能与其它进程并发(并行)执行。而程序则不可以
6、并发执行。 (3) 进程是进行计算机资源分配的基本单位，也是进行处理机调度的基本单位。 (4) 一个程序可以作为多个进程的运行程序，这些进程可以同时存在，而它们使用的是同一程序。,3.2.2 进程的状态,在系统中有多个进程存在时，它们是交替运行的，即进程会执行一段时间、暂停一下、然后再执行一段时间，重复该过程直到执行完毕。 进程运行的间断性决定了进程可能具有多种状态。,3.2.2 进程的状态,进程在运行过程中通常有三种基本状态 ，分别是： (1)就绪状态(Ready) 进程已获取到除CPU之外的所有必要资源，只要再得到CPU，就可以马上投入运行，这时进程所处的状态为就绪状态 。 (2)运行状态
7、(Running) 处于就绪状态的进程得到CPU控制权后，就可以使用处理器进行数据运算和处理，而其所处的状态称为运行状态。 (3) 阻塞状态(Wait) 当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，即使分配有CPU时间，它也无法执行，则称该进程处于阻塞状态，又称等待状态。,3.2.2 进程的状态,进程在执行过程中的状态会不断变化，三种基本状态之间的转换关系如下图所示：,3.2.2 进程的状态,在引入挂起状态的操作系统中，又增加了静止就绪和静止阻塞两个新的进程状态。进程状态之间的转换关系如下图所示：,3.2.3 进程控制块,进程控制块(Process Control
8、Block，PCB)是操作系统为了管理进程而设置的一个专门的数据结构，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。 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。,3.2.3 进程控制块,不同的操作系统对进程的控制和管理机制不同，PCB中的信息多少也不一样 。 PCB通常包含如下信息： (1) 进程标识符。每个进程都必须有一个唯一的标识符。 (2) 进程当前状态。 (3) 进程相应的程序和数据地址，以便把PCB与其程序和数据联系起来。 (4) 进程资源清单。 (5) 进程优先级。 (6) CPU现场保护区。 (7) 进程同步与通信机制
9、。 (8) 进程所在队列PCB的链接字。 (9) 与进程有关的其它信息。如进程记账信息、进程占用CPU的时间等。,3.3.1 进程控制的概念,进程控制是进程管理中的最基本功能。 是对系统中所有进程从创建到消亡的全过程实施有效的控制，不但要完成对运行过程中状态转换的控制，还需要能够创建新进程，或者撤销已经执行完毕的进程。 进程控制一般由操作系统内核来完成。,3.3.2 进程控制机构,进程的控制机构是由操作系统内核实现的。 通常将与硬件密切相关的模块放在紧挨硬件的软件层中，并使它们常驻内存，以提高操作系统的运行效率，通常将这部分称为操作系统内核。 操作系统内核为系统对进程进行控制、对存储器进行管理
10、提供了有效的控制机制。,3.3.2 进程控制机构,不同的操作系统内核所包含的功能不同，但大多数操作系统内核都包含支撑功能和资源管理功能。 支撑功能： (1) 中断处理。操作系统的各种重要活动最终都依赖于中断。 (2) 时钟处理。 (3) 原语操作。内核在执行某些操作时，往往是通过原语操作实现的。原语是由若干条机器指令构成的、用于完成特定功能的一段程序。原语在执行过程中是不可分割的。 进程控制原语主要有：创建原语、撤销原语、挂起原语、激活原语、阻塞原语以及唤醒原语。,3.3.2 进程控制机构,资源管理功能： (1) 进程管理。进程管理的大部分或者全部功能都放在内核中，如进程的调度与分配、进程的创
11、建和撤销。 (2) 存储器管理。内存的分配和回收、内存保护和对换等功能模块都放在内核中。 (3) 设备管理：设备驱动程序、缓冲区管理、设备分配等功能都放在内核中。 内核中包含的原语主要有：进程控制、进程通信、资源管理以及其它原语。,3.3.3进程创建,一个进程在执行的过程中可以创建新的进程，通常将这样的进程称为父进程，而将被创建的新进程称为父进程的子进程。 子进程还可以再创建子进程，被子进程新创建的进程被称为孙子进程，从而形成进程树，树的根结点是整个进程家族的祖先 。,3.3.3 进程创建,当子进程被创建时，它可以直接向操作系统申请资源，也可以继承父进程所拥有的资源 。 当子进程被撤销时，应该
12、把从父进程那里获得的资源还给父进程。 当撤销父进程时，应当把它创建的所有子进程也一同撤销。 不论是系统还是用户，创建进程的操作必须调用创建原语来实现。,3.3.3 进程创建,创建原语的主要功能： 新进程申请获得惟一的数字标示符，并从PCB集合中获取一个空白PCB ； 为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间； 对PCB进程初始化 ； 将新进程插入就绪队列中，等待被调度执行。,3.3.4 进程撤销,当进程完成任务或在执行的过程中发生异常时，系统将调用进程终止原语来终止该进程。 终止进程的过程如下： 根据被终止进程的标示符从PCB集合中查找到该进程的PCB，从中读出该进程的状态，终止该进程
13、的执行； 如果该进程还有子孙进程，应该将它的所有子孙进程终止，防止它们成为不可控进程； 然后回收进程所拥有的资源； 最后将被终止进程(它的PCB)从所在队列(或链表)中移出，等待其它程序来搜集信息。,3.3.5进程阻塞,正在运行的进程由于提出系统服务请求(如I/O操作)，但因为某种原因而未得到操作系统的立即响应，或者需要从其它合作进程获得的数据尚未到达等原因，该进程只能调用阻塞原语把自己阻塞，等待相应的事件出现后才被唤醒。 可以看出，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。,3.3.6进程唤醒,当阻塞进程所等待的事件出现时，比如所需的数据已到达，或者等待的I/O操作已经完成，则由另外的与阻塞进程相
14、关的进程(如用完并释放该I/O设备的进程)调用唤醒原语，将等待该事件的进程唤醒。 阻塞进程不能唤醒自己。 唤醒原语执行的过程为：首先把被阻塞的进程从等待该事件的队列中移出，将其PCB中的状态由阻塞修改为就绪，然后将该PCB插入到就绪队列中。,3.4 线程,自20世纪60年代推出进程概念后，在操作系统中都是以进程作为独立运行的基本单位。 直到20世纪80年代中期，人们又提出了比进程更小的能独立运行的基本单位线程。 目的是提高系统内程序并发执行的程度，从而进一步提高系统的吞吐量。,3.4.1 线程的概念,传统的进程有两个基本属性：可拥有资源的独立单位、可处理器调度和分配的基本单位。 引入线程以后，
15、将传统进程的两个基本属性分开，线程作为处理器调度和运行的基本单位，进程作为分配资源的基本单位，可以通过创建线程来完成任务，以减少程序并发执行时付出的时空开销。 线程是由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。它与同属一个进程的其它线程共享其代码段、数据段和其它操作系统资源(如打开文件和信号)。 一个传统的进程只有一个控制线程。如果进程有多个控制线程，那么它就能同时做多个任务。,3.4.2线程的特点与状态,线程是程序中一个单一的顺序控制流程。 在单个程序中可以同时运行多个线程完成不同的工作，称为多线程。 多线程是为了同步完成多项任务，通过提高资源使用效率来提高系统的效率。 多线程是在同一时间
16、需要完成多项任务的时候实现的。,3.4.2线程的特点与状态,多线程编程具有以下优点： (1) 响应程度高。如果对一个交互式应用程序采用多线程，即使它部分阻塞或执行较冗长的操作，那么，该程序仍然能继续工作，从而提高对用户的响应程度。 (2) 资源共享。线程默认共享自身所属进程的内存和资源。 (3) 经济。创建进程所需要的内存和资源的分配比较昂贵，而由于线程允许共享自身所属进程的资源，所以，创建线程和上下文切换会更经济。 (4) 多处理器体系结构的利用。多线程的优点之一是能充分使用多处理器体系结构，以便每个线程能够并行运行在不同的处理器上。,3.4.3线程的实现,许多现代操作系统都已实现了线程，但各系统的实现方式并不完全相同. 主要分为两种方式：用户级线程和内核级线程。,3.4.3线程的实现,用户级线程仅存在于用户空间中。 用户级线程的创建、撤销、线程间的同步与通信等功能都无需通过系统调用来实现。 用户级线程的切换，常常发生在一个应用进程的诸多线程之间，同样也无需内核的支持。 由于切换的规则远比进程调度简单，所以线程间的切换速度非常快。 可以看出，用户级线程
