操作系统 第2章 进程管理

第二章进程管理第二章进程管理2.1进程的基本概念2.2进程控制2.3进程同步2.4经典进程的同步问题2.5管程机制2.6进程通信2.7线程第二章进程管理2.1进程的基本概念2.1.1程序的顺序执行及其特征1.程序的顺序执行仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。例如，在进行计算时，总须先输入用户的程序和数据，然后进行计算，最后才能打印计算结果。S1:a∶=x+y;S2:b∶=a-5;S3:c∶=b+1;第二章进程管理图2-1程序的顺序执行(a)程序的顺序执行(b)三条语句的顺序执行I1C1P1I2C2P2S1S2S3第二章进程管理2.程序顺序执行时的特征(1)顺序性：(2)封闭性：(3)可再现性：第二章进程管理2.1.2前趋图前趋图(PrecedenceGraph)是一个有向无循环图，记为DAG(DirectedAcyclicGraph)，用于描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的偏序(PartialOrder)或前趋关系(PrecedenceRelation)“→”。→={(Pi,Pj)|PimustcompletebeforePjmaystart},如果(Pi,Pj)∈→,可写成Pi→Pj，称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(InitialNode)，把没有后继的结点称为终止结点(FinalNode)。第二章进程管理每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。Ii→Ci→Pi和S1→S2→S3图2-2前趋图P1P3P8P9P4P2P5P6P7S1S2S3(a)具有九个结点的前趋图(b)具有循环的前趋图第二章进程管理对于图2-2(a)所示的前趋图，存在下述前趋关系：P1→P2,P1→P3,P1→P4,P2→P5,P3→P5,P4→P6,P4→P7,P5→P8,P6→P8,P7→P9,P8→P9P={P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9}→={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,P5),(P4,P6),(P4,P7),(P5,P8),(P6,P8),(P7,P9),(P8,P9)}应当注意，前趋图中必须不存在循环，但在图2-2(b)中却有着S2→S3,S3→S2第二章进程管理2.1.3程序的并发执行及其特征1.程序的并发执行图2-3并发执行时的前趋图P1P2P3P4I1I2I3I4C1C2C3C4第二章进程管理Ii→Ci，Ii→Ii+1,Ci→Pi,Ci→Ci+1，Pi→Pi+1而Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1之间，可以并发执行。S1:a∶=x+2S2:b∶=y+4S3:c∶=a+bS4:d∶=c+b第二章进程管理图2-4四条语句的前趋关系S1S2S3S4第二章进程管理2.程序并发执行时的特征1)间断性2)失去封闭性3)不可再现性例如，有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程序A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一次时，都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。(1)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之前，此时得到的N值分别为n+1,n+1,0。(2)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此时得到的N值分别为n,0,1。(3)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之间，此时得到的N值分别为n,n+1,0。第二章进程管理2.1.4进程的特征与状态1.进程的特征和定义1)结构特征2)动态性3)并发性4)5)异步性第二章进程管理(1)进程是程序的一次执行。(2)进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。(3)进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。在引入了进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”。第二章进程管理2.进程的三种基本状态1)就绪(Ready)状态2)3)阻塞状态第二章进程管理图2-5进程的三种基本状态及其转换就绪阻塞执行时间片完进程调度I/O完成I/O请求第二章进程管理3.1)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。第二章进程管理2)进程状态的转换(1)活动就绪→静止就绪。(2)活动阻塞→静止阻塞。(3)静止就绪→活动就绪。(4)静止阻塞→活动阻塞。第二章进程管理图2-6具有挂起状态的进程状态图活动就绪静止就绪执行挂起激活释放挂起活动阻塞静止阻塞挂起激活释放请求I/O第二章进程管理2.1.5进程控制块1.进程控制块的作用进程控制块的作用是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来对并发执行的进程进行控制和管理的。第二章进程管理2.进程控制块中的信息1)进程标识符用于惟一地标识一个进程。一个进程通常(1)内部标识符。在所有的操作系统中，都为每一个进程赋予一个惟一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。(2)外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户(进程)在访问该进程时使用。为了描述进程的家族关系，还应设置父进程标识及子进程标识。此外，还可设置用户标识，以指示拥有该进程的用户。第二章进程管理2)处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成的。①通用寄存器，又称为用户可视寄存器，它们是用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有8~32个通用寄存器，在RISC结构的计算机中可超过100个；②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址；③程序状态字PSW，其中含有状态信息，如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等；④用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。第二章进程管理3)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：①进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据；②进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机；③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，比如，进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等；④事件，是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件，即阻塞原因。第二章进程管理4)进程控制信息包括：①程序和数据的地址，是指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址，以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程序和数据；②进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中；③资源清单，是一张列出了除CPU以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；④链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。第二章进程管理3.进程控制块的组织方式1)链接方式图2-7PCB链接队列示意图PCB14PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7PCB8PCB93087901执行指针就绪队列指针阻塞队列指针空闲队列指针…第二章进程管理2)索引方式图2-8按索引方式组织PCB执行指针就绪索引表PCB1PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7阻塞索引表就绪表指针阻塞表指针第二章进程管理2.2进程控制2.2.1进程的创建1.进程图(ProcessGraph)图2-9进程树DEFGHBCIJKLMA第二章进程管理2.引起创建进程的事件(1)用户登录。(2)作业调度。(3)提供服务。(4)应用请求。第二章进程管理3.进程的创建(CreationofProgress)(1)申请空白PCB。(2)为新进程分配资源。(3)初始化进程控制块。(4)将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列。第二章进程管理2.2.2进程的终止1.引起进程终止(TerminationofProcess)1)在任何计算机系统中，都应有一个用于表示进程已经运行完成的指示。例如，在批处理系统中，通常在程序的最后安排一条Holt指令或终止的系统调用。当程序运行到Holt指令时，将产生一个中断，去通知OS本进程已经完成。在分时系统中，用户可利用Logsoff去表示进程运行完毕，此时同样可产生一个中断，去通知OS进程已运行完毕。第二章进程管理2)在进程运行期间，由于出现某些错误和故障而迫使进程终止。这类异常事件很多，常见的有：①越界错误。这是指程序所访问的存储区，已越出该进程的区域；②保护错。进程试图去访问一个不允许访问的资源或文件，或者以不适当的方式进行访问，例如，进程试图去写一个只读文件；③非法指令。程序试图去执行一条不存在的指令。出现该错误的原因，可能是程序错误地转移到数据区，把数据当成了指令；④特权指令错。用户进程试图去执行一条只允许OS执行的指令；⑤运行超时。进程的执行时间超过了指定的最大值；⑥等待超时。进程等待某事件的时间，超过了规定的最大值；⑦算术运算错。进程试图去执行一个被禁止的运算，例如，被0除；⑧I/O故障。这是指在I/O过程中发生了错误等。第二章进程管理3)外界干预并非指在本进程运行中出现了异常事件，而是指进程应外界的请求而终止运行。这些干预有：①操作员或操作系统干预。由于某种原因，例如，发生了死锁，由操作员或操作系统终止该进程；②父进程请求。由于父进程具有终止自己的任何子孙进程的权利，因而当父进程提出请求时，系统将终止该进程；③父进程终止。当父进程终止时，OS也将他的所有子孙进程终止。第二章进程管理2.(1)根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态。(2)若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，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。(3)若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。(4)将被终止进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。(5)将被终止进程(它的PCB)从所在队列(或链表)中移出，等待其他程序来搜集信息。第二章进程管理2.2.3进程的阻塞与唤醒1.引起进程阻塞和唤醒的事件1)请求系统服务2)启动某种操作3)4)第二章进程管理2.正在执行的进程，当发现上述某事件时，由于无法继续执行，于是进程便通过调用阻塞原语block把自己阻塞。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。进入block过程后，由于此时该进程还处于执行状态，所以应先立即停止执行，把进程控制块中的现行状态由“执行”改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。如果系统中设置了因不同事件而阻塞的多个阻塞队列，则应将本进程插入到具有相同事件的阻塞(等待)队列。最后，转调度程序进行重新调度，将处理机分配给另一就绪进程，并进行切换，亦即，保留被阻塞进程的处理机状态(在PCB中)，再按新进程的PCB中的处理机状态设置CPU的环境。第二章进程管理3.当被阻塞进程所期待的事件出现时，如I/O完成或其所期待的数据已经到达，则由有关进程(比如，用完并释放了该I/O设备的进程)调用唤醒原语wakeup()，将等待该事件的进程唤醒。唤醒原语执行的过程是：首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，然后再将该PCB插入到就绪队列中。第二章进程管理2.2.4进程的挂起与激活1.当出现了引起进程挂起的事件时，比如，用户进程请求将自己挂起，或父进程请求将自己的某个子进程挂起，系统将利用挂起原语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是：首先检查被挂起进程的状态，若处于活动就绪状态，便将其改为静止