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操作系统的特征之一是并发与共享，即在系统中同时存在着几个相互独立的程序，这些程序在系统中可以交叉运行，又可以要共享系统中的资源，这就会引起一系列的问题，包括：对资源的竞争，运行程序之间的通信，程序之间的合作与协同等等。要解决这些问题，用程序的概念已经不能描述程序在内存中运行的状态，必须引入新的概念------进程。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：处理机的操作必须严格按照程序所规定的顺序执行。(2)封闭性：程序在执行时独占系统的全部资源，因此机器资源状态的改变只与执行的程序有关，与外界环境无关。(3)可再现性：只要初始条件相同，一个程序的多次重复执行，将得到相同的结果。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→P9或表示为：P={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)中却有着下述的前趋关系：S2→S3,S3→S2P1P3P8P9P4P2P5P6P7S1S2S3(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第二章进程管理在该例中存在下述前趋关系：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。对于具有下述四条语句的程序段：P1P2P3P4I1I2I3I4C1C2C3C4第二章进程管理图2-4四条语句的前趋关系S1S2S3S4S1:a∶=x+2S2:b∶=y+4S3:c∶=a+bS4:d∶=c+b第二章进程管理2.程序并发执行定义程序的并发执行是指二个或二个以上的程序或程序段可在同一时间间隔内同时执行。程序的并发执行极大提高了资源利用率和系统吞吐量，也产生了不同于顺序执行的新特征：第二章进程管理2.程序并发执行时的特征1.间断性：由于资源共享和相互合作，并发执行的程序间形成了相互制约关系，导致程序的运行过程出现“执行-暂停-执行”的现象。2.失去封闭性：程序在执行时与其他并发执行的程序共享系统的资源，因此资源状态的改变还与其他程序有关。3.不可再现性：同样的初始条件，一个程序的多次重复执行，可能得到不同的结果。第二章进程管理例如，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。第二章进程管理操作系统对进程的要求1.操作系统必须交替执行多个进程，以便最大程度的使用CPU，同时提供合理的响应时间。2.操作系统必须将资源分配给进程，同时避免死锁。3.操作系统必须支持进程间通信以及用户进程创建。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”。2.1.4进程的特征与状态1.进程的特征和定义第二章进程管理进程与程序的区别1.程序是指令的集合，是静态概念。进程是程序在处理机上的一次执行过程，还是动态概念。程序可以作为资料长期保存，而进程是有生命周期的。2.进程是一个独立运行的单位，能与其他进程并行活动，而程序则不行。3.进程是竞争计算机系统资源的基本单位，也是进行处理机调度的基本单位。第二章进程管理2.进程的特征1)结构特征：从结构上说，每个进程实体中除了相应的程序段、数据段外，必须包含一个数据结构进程控制块PCB。2)动态性：进程是程序的一次执行过程，因此是都动态的。动态性还表现在进程具有一定的生命期，它必须由创建而产生、由调度而执行、由撤销而消亡。3)并发性：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。只有为程序创建进程后，多个程序才能正确地并发运行，并发是引入进程的目的。第二章进程管理4)独立性：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：进程可按各自独立、不可预知的速度向前推进。第二章进程管理进程的类型在系统中同时存在多个进程，但归纳起来有2大类：1.系统进程系统进程起着资源管理和控制的作用。2.用户进程执行用户程序的进程。第二章进程管理进程的描述1)进程控制块（数据结构）2)进程的执行程序（一个可执行文件）3)进程总是位于某个队列（就绪，等待某事件队列）4)处于某种状态（运行，就绪，等待）5)占用某些系统资源（内存，打开某些文件，处理机，外设）第二章进程管理2.进程的三种基本状态1)就绪(Ready)状态：进程已获得除cpu以外的所有必要资源，只要得到cpu便可立即执行。可以有多个就绪状态的进程。2)执行状态：进程已得到cpu，其程序正在cpu上执行。3)阻塞状态：正在执行的进程因某种事件（如I/O请求）的发生而暂时无法继续执行，只有等相应事件完成后，才能去竞争cpu。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.挂起状态不少系统中，进程只有上述三种基本状态，但另些系统中增加了挂起状态，其实质使进程不能继续执行，即挂起后的进程处于就绪状态，它也不能参加cpu的竞争，被挂起的进程处于静止状态，相反，没有被挂起的进程处于活动状态。1)引入挂起状态的原因(1)终端用户的请求。用户发现可疑问题，希望暂时使自己的程序静止下来，以便研究其执行情况或修改第二章进程管理(2)父进程请求。父进程希望挂起某个子进程，考查或修改协调各子进程之间的活动(3)负荷调节的需要。当负荷较重，影响对实时任务的控制(4)操作系统的需要。检查运行中的资源使用情况等另外，挂起进程可以腾出内存空间给就绪进程使用第二章进程管理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)进程标识符进程标识符用于惟一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：(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)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：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…第二章进程管理第二章进程管理第二章进程管理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1.进程是有生命周期的，产生、运行、暂停和终止，对这些的控制过程，我们称为进程的控制。2.进程控制的职责主要是对系统中全部进程进行有效的管理，当系统中有多个进程并发执行时，他们有资源共享问题，有相互协调问题