7计算机操作系统_第2章_进程管理

计算机操作系统南京工业大学信息学院第二章进程管理★进程的基本概念★进程控制★进程同步★经典进程同步问题★进程通信★线程这一章介绍如下几个问题：2.1进程的基本概念(1)程序的顺序执行及其特征顺序执行包含两层含义：●对于多个用户程序来说，所有程序是依次执行的。（外部顺序性）●对于一个程序来说，它的所有指令是按序执行的。（内部顺序性）2.1进程的基本概念(2)程序顺序执行的特征（1）顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在下一操作开始之前结束（或者说下一操作必须在当前操作结束后才能开始）。（2）封闭性：程序是在封闭的环境下执行的。即●程序运行时独占全机资源，资源的状态（除初始态外）只有本程序才能改变它。●程序一旦开始执行，其执行结果不受外界影响。（3）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，都将获得相同的结果。2.1进程的基本概念(3)程序的并发执行及其特征程序的并发执行包括两层含义：●对于一个程序来说，它的所有指令是按序执行的。（内部顺序性）●对于多个程序（进程）来说，所有进程是交叉执行的。（外部并发性）2.1进程的基本概念(4)程序并发执行时的特征1）间断性:程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一任务而相互合作，致使这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系。（互斥关系、同步关系）相互制约导致并发执行的程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性活动规律。2）失去封闭性：程序在并发执行时，由于多个程序共享系统资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行已失去了封闭性。某程序的执行时，会受到其他程序的影响。2.1进程的基本概念(5)程序并发执行时的特征3）不可再现性——与时间有关的错误程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致其再失去可再现性。例如：有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。L1：N=N+1；gotoL1；L2：print(N)；N=0；gotoL2；程序A程序B程序A和B并发执行时，可能出现下述三种情况（设某时刻N的值为10）：（1）N=N+1在print(N)和N=0之前，此时得到的N值分别为11，11，0。（2）N=N+1在print(N)和N=0之后，此时得到的N值分别为10，0，1。（3）N=N+1在print(N)和N=0之间，此时得到的N值分别为10，11，0。计算结果已与并发程序的执行速度有关，从而使程序执行失去了可再现性。2.1进程的基本概念(6)进程的特征与状态1．进程的定义和特征进程是程序在一个数据集上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。(传统OS的定义)定义1）结构特征：进程的特征程序段、相关的数据段、PCB三部分构成了进程实体。通常的程序是不能并发执行的，为使程序（含数据）能独立运行，应为之配置一进程控制块（即PCB）。在许多情况下所说的进程，实际上是指进程实体。如，所谓创建进程，……2）动态性：进程的实质是进程实体的一次执行过程，故动态性是进程的最基本特征。3）并发性：这是指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。2.1进程的基本概念(7)进程的特征与状态4）独立性：进程的特征：在传统的OS中，独立性是指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。5）异步性：是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，或说进程实体按异步方式运行。2.1进程的基本概念(8)进程的特征与状态进程的三种基本状态：1）就绪（Ready）状态：当进程已分配到除CPU以外的所有资源后，只要再获得CPU，便可立即执行，进程这时的状态称为就绪状态。系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列。2）执行（Running）状态:进程已获得CPU，其程序正在执行。3）阻塞（Blocked）状态:正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，亦即进程的执行受到阻塞，把这种暂停状态称为阻塞状态（或等待状态）。使进程阻塞的典型事件：请求I/O，申请缓冲空间等等。2.1进程的基本概念(9)进程的特征与状态进程的三种基本状态的转换：进程调度：就绪态执行态时间片完：执行态就绪态请求I/O：执行态阻塞态I/O完成：阻塞态就绪态引起进程状态转换的典型事件：2.1进程的基本概念(10)进程的特征与状态挂起状态：有些系统除了进程的三种基本状态外，还有挂起状态。1）引入挂起状态的原因：（1）终端用户的请求：（2）父进程请求：（3）负荷调节的需要：（4）操作系统的需要：当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑问题时，希望暂停执行。希望考察和修改子进程，或协调各子进程间的活动时实时系统中工作负荷较重时，系统可把一些不重要的进程挂起。操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。2.1进程的基本概念(11)进程的特征与状态挂起状态：2）进程状态的转换●活动就绪→静止就绪●活动阻塞→静止阻塞●静止就绪→活动就绪●静止阻塞→活动阻塞挂起原语Suspend激活原语Active2.1进程的基本概念(12)进程控制块（PCB）为了描述和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构——进程控制块。进程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。1.PCB作用：使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发进程进行控制和管理的。例如：进程调度；现场保护和恢复；进程同步和通信。PCB是进程存在的唯一标志2.1进程的基本概念(13)进程控制块（PCB）2．进程控制块中的信息PCB中记录了操作系统所需的、用于描述进程当前情况以及控制进程运行的全部信息。具体包括下述四方面的信息：1）进程标识符：内部标识符(进程号)；外部标识符(名)；父进程标识及子进程标识；用户标识2）处理机状态：处理机状态信息主要由处理机的各种寄存器中的内容组成的。寄存器包括：通用寄存器、指令计数器、程序状态字（PSW）寄存器、用户栈指针。(保护、恢复现场)当处理机被中断时，这些信息都必须保存到PCB中，以便该进程重新执行时，能从断点继续执行。2.1进程的基本概念(14)进程控制块（PCB）2．进程控制块中的信息3）进程调度信息：在PCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息。包括：★进程状态——作为调度和对换时的依据。★进程优先级——由于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程优先获得处理机。★进程调度所需的其它信息——它们与所采用的进程调度算法有关。……★事件——即阻塞原因。2.1进程的基本概念(15)进程控制块（PCB）2．进程控制块中的信息4）进程控制信息：▲程序和数据的地址——指程序和数据所在的内存或外存首地址；▲进程同步和通信机制——如信号量、消息队列指针等，它们可能全部或部分地存放在PCB中；▲资源清单——是一张列出了除CPU外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；▲链接指针——它给出本进程（PCB）所在队列中下一个进程的PCB的首址。2.1进程的基本概念(16)进程控制块（PCB）3．进程控制块的组织方式(1)常用的组织方式有两种：链接方式和索引方式。1）链接方式把具有同一状态的PCB，用其中的链接字链接成一个队列。形成：就绪队列、阻塞队列、空白队列等2.1进程的基本概念(17)进程控制块（PCB）3．进程控制块的组织方式(2)2）索引方式:系统根据所有进程的状态建立几张索引表。如，●就绪索引表●阻塞索引表等▲索引表的首址记录在专用单元中；▲每个索引表的表目中，记录具有相应状态的某个PCB的首址。2.2进程控制(1)进程控制是进程管理中最基本的功能。进程控制包括：◆创建进程◆终止进程◆进程状态转换进程控制是由OS的内核完成的。2.2进程控制(2)2.2.1进程的创建1．引起创建进程的事件▲用户登录▲作业调度▲提供服务当用户进程提出某种请求后，系统将专门创建一个进程来提供用户所需的服务。如，文件打印。上述三种情况，都是由系统内核为它创建一个新进程。▲应用请求：是基于应用进程的需求，由应用进程自己创建一个新进程，以便新进程以并发运行方式完成特定任务。2.2进程控制(3)2.2.1进程的创建(2)2．进程的创建调用进程创建原语Create（），按下述步骤创建一个进程：（1）申请空白PCB；（2）为新进程分配资源。主要是内存空间。（3）初始化PCB。包括：初始化标识信息初始化处理机状态信息：程序计数器，堆栈指针等进程状态——就绪或静止就绪、优先级等。初始化处理机控制信息：（4）将新进程插入就绪队列。2.2进程控制(4)2.2.2进程的终止1．引起进程终止的事件▲正常结束▲异常结束▲外界干预常见的异常结束事件有：越界错误保护错——试图访问不允许访问的资源或文件，或者以不适当方式访问非法指令特权指令错——用户程序试图执行只允许OS执行的指令运行超时等待超时算术运算错——被0除I/O故障♥操作员或操作系统干预（如发生死锁）♥父进程请求♥父进程终止2.2进程控制(5)2.2.2进程的终止2．进程的终止过程OS调用终止原语，按下述过程终止进程：（1）根据被终止进程的标识，从PCB集合中找除该进程的PCB，读出该进程状态。（2）若被终止进程正处于执行状态，应立即终止其执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度。若该进程还有子孙进程，应将其所有子孙进程终止，以防止它们成为不可控进程。（3）将被终止进程的所有资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。（4）将被终止进程（它的PCB）从所在队列中移出，等待其他进程来搜索信息。2.2进程控制(6)2.2.2进程的阻塞和唤醒1．引起进程阻塞和唤醒的事件▲请求系统服务▲无新工作可做当执行进程请求OS服务时，由于某种原因，OS并不立即满足该进程的请求时，该进程只能转变为阻塞状态来等待。如，进程请求打印机，……系统往往设置一些具有特定功能的系统进程，每当这种进程完成任务后，便把自己阻塞起来以等待新任务到来。如，系统中发送数据的进程，……▲启动某种操作当进程启动某种操作后，如果该进程必须在该操作完成后才能继续执行，则必须先使该进程阻塞，以等待操作完成。如，启动了某I/O设备，……▲新数据尚未到达对于相互合作的进程，如果其中一个进程需要获得另一个（合作）进程提供的数据才能运行以对数据进行处理，则只要其所需数据尚未到达，该进程只有阻塞（等待）。如，……2.2进程控制(7)2.2.2进程的阻塞和唤醒2．进程阻塞过程调用阻塞原语block把自己阻塞。（主动行为）阻塞（block）过程：▲立即停止执行；▲把PCB中进程状态由“执行”改为“阻塞”；▲将PCB插入具有相同事件的阻塞队列；▲转进程调度程序，将处理机分配给某个就绪进程，并进行进程切换——保留被阻塞进程的处理机状态（在PCB中），再按新进程的PCB中处理机状态设置CPU的环境。2.2进程控制(8)2.2.2进程的阻塞和唤醒3．进程唤醒过程调用唤醒原语wakeup()，将等待事件的进程唤醒。唤醒原语执行过程：▲将被唤醒进程的PCB从阻塞队列移出；▲将其PCB中进程状态由“阻塞”改为“就绪”；▲将改PCB插入到就绪队列中。block（）和wakeup（）是成对的。2.2进程控制(9)2.2.4进程的挂起和激活1．进程的挂起当出现了引起进程挂起的事件时(用户进程请求将自己挂起，或父进程请求将子进程挂起)，系统将用挂起原语suspend()将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起。挂起原语的执行过程：▲检查被挂起进程的状态：若处于活动就绪或执行状态，则将其转为静止就绪；若处于活动阻塞,则将其转为静止阻塞。▲把该进程的PCB复制到某指定内存区域为方便用户或父进程考查该进程的运行状态。▲若该进程正在执行，则转进程调度程序重新调度。2.2进程控制(10)2.2.4进程的挂