计算机操作系统(进程与线程)

1主要内容第2章进程与线程2.1进程2.2线程2.3进程间通信2.4调度2.5经典的IPC问题22.1进程（补充1）•程序–指令或语句序列，体现了某种算法所有程序是顺序的•①顺序程序–计算机系统中只有一个程序在运行，该程序独占系统中的所有资源，其执行不受外界影响•特征：顺序性、封闭性、可再现性32.1进程（补充2）②多道程序执行系统中程序的执行：同时处理多个具有独立功能的程序，应具有以下特点：．独立性：多个程序逻辑独立，并可独立运行．随机性：多用户环境下程序的运行是随机的．资源共享：③并发执行的程序：．并发：两个或多个事件在同一个时间间隔之内同时发生．并行：两个或多个事件在同一个时刻同时发生特点：随机性，失去了程序顺序执行所具有的封闭性和可再现性4例：有栈S,top为栈顶指针，getaddr(top)从栈中取内存数据块地址，reladdr(bld)将内存数据块地址blk放入S中Proceduregetaddr(top)beginlocalrr-(top)top-top-1return(r)endProcedurereladdr(blk)begintop-top+1(top)-blkend１２abeftopr=?52.1.2进程的定义：①定义：AProcssisjustanexecutingprogram(Include:PC,R,variablesetc.)或：可以与其他程序并发执行的程序的一次执行，是系统资源分配的基本单位②特征：．动态．并发．独立．异步．结构6③进程与程序的区别及联系：．进程是动态的，而程序是静态的．进程可以并发，而程序则没有．进程是资源竞争的基本单位联系：一个程序可以生成多个不同的进程④进程的层次结构：（进程树）．系统中除根进程外，每个进程都有且只有一个父进程．每个子进程均由它的父进程创建．一个父进程可以有多个子进程72.1进程2.1.1进程模型•含有4道程序的多道程序•4个独立的顺序进程的概念模型•在任意时刻仅有一个程序是活跃的82.1.2创建进程4种主要事件导致进程的创建1.系统初始化2.执行了正在运行的进程所调用的进程创建系统调用3.用户请求创建一个新进程4.一个批处理作业的初始化92.1.3进程的终止引起进程终止的条件：1.正常退出(自愿的)2.错误退出(自愿地)3.严重错误(非自愿地)4.被其他进程杀死(非自愿地)102.1.4进程的层次结构•父进程创建一个子进程，子进程可以创建属于自己的更多进程•Unix中所有子女和后裔共同组成一个进程组–UNIX叫“进程组•Windows没有进程层次的概念–所有的进程都是地位相同的112.1.5进程的状态(1)•进程课程的状态–running（运行态）–blocked(阻塞态)–ready（就绪态）•上图显示出各状态之间的转换1.进程为等待输入而阻塞2.调度程序选择另一个进程3.调度程序选择这个进程4.出现有效输入122.1.5进程的状态(2)•以进程构造的操作系统最底层–处理中断,调度•在该层之上是顺序进程132.1.6进程的实现（补充）．进程控制块ＰＣＢ（用来标识进程存在于系统中的唯一的实体，部分或全部常驻内存）．程序．数据集①ＰＣＢ：系统用ＰＣＢ反映进程的动态特征，内容包括：．描述信息：进程名（标识号），用户名（标识号），家族链．控制信息：状态，优先级，内存始址，计时，通信信息．资源管理信息：内存大小，设备等．ＣＰＵ现场保护机构：ＰＣＢ中设有142.1.6进程的实现(1)典型的进程表表项中的一些字段②进程表表项——进程控制块的主要字段152.1.6进程的实现(2)当中断发生后操作系统最底层的工作步骤1.硬件压入堆栈程序计数器等。2.硬件从中断向量装入新的程序计数器。3.汇编语言过程保存寄存器值。4.汇编语言过程设置新的堆栈。5.C中断服务例程运行（典型的读和缓冲输入）。6.调度程序决定下一个将运行的进程。7.C过程返回至汇编代码8.汇编语言过程开始运行新的当前进程③中断发生时，底层处理步骤16进程与程序的区别（补充）•进程更能真实的描述并发（程序不能）•进程是由程序和数据两部分组成的•程序是静态的。进程是动态的•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•一个程序可以对应多个进程•进程具有创建其他进程的功能17•线程线程是轻量级的进程，它是一个进程内的基本调度单位，有自己的程序计数器、寄存器及堆栈。•多线程与多进程-多线程系统允许多个线程共享一个进程的地址空间、打开文件、全局变量等资源。-多进程系统允许多个进程共享物理内存、磁盘、打印机等资源。•线程与进程-进程是资源管理的基本单位-线程是调度的基本单位2.2线程2.2.1线程的概念182.2.2线程模型(a)三个进程，每个进程有1个线程(b)一个进程有3个线程112319线程的实现（TCB）•一个进程中所有线程共享内容•每个线程自己的内容20每个线程有自己的堆栈(kernel&userstack,TCB)212.2.3引入线程的原因•伪并行，进一步提高并发度•更小的系统开销•更高的性能•有利于在多CPU系统中实现真正的并行222.2.4在用户空间实现线程用户级线程包232.2.5在内核中实现线程内核管理的线程包242.2.6混合实现用户级线程与内核线程复用252.3进程间通信①并发进程间的相互制约：．间接制约：诸进程对共享资源的使用通过系统来协调，使得进程间执行速度相互影响．直接制约：诸进程自行使用共享资源或由进程合作引起，某一进程直接通过某机构发消息给其他进程，从而直接其他进程的执行②基本概念：．临界资源：一次只允许一个进程使用的资源．临界区：在每个进程中，访问临界资源的那部分代码（那段程序）2.3.1进程通信262.3.2互斥①定义:．不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区，称为互斥②并发进程互斥执行准则：．不假设各并发进程的相对执行速度．出于临界区外的进程不能阻止其他进程进入临界区．任何时刻只允许一个进程处于临界区中．不能使进程在临界区外永远等待27③互斥的实现：关中断法：每个进程进入临界区后先关中断，离开前开中断缺点：．系统可能终止．多CPU时，无用加锁法：用锁变量来表示临界区是否可用加锁后的临界区描述如下：lock(key[s])临界区//s为临界区类名unlock(key[s])//key[s]为锁变量，为1表示临界区//可用，为0表示临界区不能使用28lock(key[s]){L:ifkey[s]=0thengotoLelsekey[s]=0}unlock(key[s]){key[s]=1}PA(){L1:lock(key[s])sunlock(key[s])gotoL1}PB(){L2:lock(key[s])sunlock(key[s])gotoL2}缺点：．不断循环测试，CPU费时．存在不公平现象29严格的轮转法：用标志严格控制轮流使用临界区PA(){while(true){while(turn!=0);//waitcritical_region();turn=1;noncritical_region();}}PB(){while(true){while(turn!=1);//waitcritical_region();turn=0;noncritical_region();}}缺点：．当一个进程比另一进程慢很多时不好30TSL指令用TSL指令进入和离开临界区31信号量法：．信号量：是ＯＳ中表示资源的物理实体，是一个与队列相关的整型变量，其值仅由down，up原语改变．信号量的表示意义：设sem为信号量，则：当sem=0时，表示可供并发进程使用的资源实体数当sem0时，表示正在等待使用资源的进程数注：Ｐ、Ｖ原语的操作等同down、up原语操作32入口s=s-1s=0调用进程入等待队列转进程调度返回入口s=s+1s=0唤醒等待队列中的一个进程返回或转进程调度返回down原语up原语YYNN33用down，up原语实现互斥：ＰA：…down(sem)Sup(sem)…ＰB：…down(sem)Sup(sem)…．设一个互斥的信号量sem．描述：S为临界区的类名34管程．一种更为高级的同步原语，更便于使用，管程的互斥由编译器负责，使用者只需将所有临界区转换为管程即可。．一个管程是由过程、条件变量及数据结构等组成的特殊模块或软件包。进程仅能通过管程访问其中的数据结构。．管程的特性：任一时刻管程中只能有一个活跃进程。352.3.3进程同步．例：设有计算进程及打印进程通过共用一个buf缓冲区进行工作，如两进程独立工作，则过程可描述如下：Pc:..A:localBufrepeatbuf-BufuntilBuf=nullcomputeBuf-resultgotoA..Pp:..B:localPrirepeatPri-bufuntilPri=nullprintbuf-nullgotoB..假定对buf已采取的互斥措施36①定义：异步环境下，一组并发进程因直接制约而相互发送消息，相互合作，相互等待，使各进程按一定速度执行的过程②同步的实现：消息名法：为同步进程间发送的事件或消息赋予一个唯一的消息名，用：wait(表示进程等待合作进程发来的消息)signal(表示向合作进程发送消息)则上例表示的同步关系如下：．设消息名Bufempty表示Buf为空，Buffull表示Buf满．初始化：Bufempty=true,Buffull=false37描述：Pc:A:wait(Bufempty)caculateBuf-resultBufempty-falsesignal(Buffull)GotoAPp:B:wait(Buffull)printBuf-nullBuffull-falsesignal(Bufempty)GotoB38信号量法：此处信号量只与制约及被制约进程有关，故为私有的信号量同例：．设SA=0表示Buf中无可供打印的计算结果SB=0表示Buf空，计算结果可放入BufPcPp39Pc:A:caculatenextnumberBuf-resultcount=count-1V(SA)P(SB)ifcount=0thendestroy(Pc)elsegotoAPp:B:P(SA)print-BufV(SB)printthelastnumberifcount=0thendestroy(Pp)elsegotoB402.3.4进程通信•引入:1)信号量需要编程语言支持.2)信号量在网络环境下不可用•实现:1)send(destination,&message)2)receive(source,&message)消息传递41用N条消息实现的生产者-消费者问题42管道通信注意：．对管道的使用必须互斥．管道工作时，只有一个读端和一个写端．由读出端和写入端不断反复交替工作，完成通信43．作业调度（高级调度）：决定参与CPU与其他系统资源的竞争，即作业由后备到运行态。．交换调度（中级调度）：决定参与CPU竞争的进程，即进程由运行到阻塞态，或由阻塞态到就绪态。．进程调度（低级调度）：决定获得CPU的进程，即进程由就绪态到运行态。2.4.1调度的层次：2.4进程调度442.4.2作业调度：①作业调度功能：．记录系统中各作业的状况．从后备队列中选一部分作业投入运行．为被选中的作业做好执行前的准备工作．在作业执行结束时做善后处理工作②作业调度的目标：．公平．高效．大吞吐量．短的响应时间和周转时间452.4.3进程调度：①进程调度的功能：．记录系统中所有进程的执行情况．选择占有处理机的进程．进程上下文切换②调度的时机：．正常执行结束．进程阻塞等待．执行了某些原语（Ｐ，Ｖ）．从系统态返回用户态．在可剥夺调度方式中，高优先级进程进入就绪队列．分时系统中，分配的时间片用完46③进程上下文切换步骤：．决定是否允许做进程上下文切换．保存当前执行进程的上下文．按一定算法选择就绪队列的一个进程．恢复或装配所选进程的上下文，转交