《A进程的概念》PPT课件.ppt

1 第二章 进程（处理器）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 进程通信 2.6 线程 2 引言 l处理机管理是操作系统的基本管理功能之一，它所关心 的是处理机的分配问题。也就是说把CPU（中央处理 机）的使用权分给某个程序，通常把这个正准备进入内 存的程序称为作业，当这个作业进入内存后我们把它称 为进程。处理机管理分为作业管理和进程管理两个阶段 去实现处理机的分配，常常又把直接实行处理机时间分 配的进程调度工作作为处理机管理的主要内容。 l进程通常具有三种状态：运行状态（正在使用CPU） 、阻塞状态（等待输入/输出）和就绪状态（等待分配 CPU）。 3 1.程序的顺序执行 一个复杂的程序一般均含若干个程序段，并按一定先 后顺序执行，每个操作必须在下一个操作开始之前结束。 也即仅当前一个操作结束之后，后继操作才开始执行，此 即程序的顺序执行性。 例如一般程序包括输入(I)、计算(C)、输出(P)三部分，而 计算须在输入完成方可开始。 I1C1P1I2C2P2 2.1进程概念的引入-程序的顺序执行和并发执行 4 2.程序顺序执行时的特征 1) 顺序性： 处理机的操作是严格按照程序所规定的顺序 执行的，每一操作开始都不得先于前一操作 的结束。 2) 封闭性：程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因 素影响。 3) 确定性、可再现性：程序重复执行将获得相同结果。 l程序的顺序执行：一个具有独立功能的程序独占处理机直 至得到最终结果的过程称为程序的顺序执行。 S1： a:=x+y； S2： b:=a-5；/s2必须是s1执行后再执行 S3： c:=b+1；/s3必须是s2执行后再执行 lS1 、S2、 S3必须按照顺序依次执行。 优点：有利于程序的编制和调试； 缺点：资源的独占性，使得系统利用率很低。 5 2.1.3 程序的并发执行及其特征 1.程序的并发执行 一组逻辑上相互独立的程序或程序段在执行过程中， 其执行时间在客观上相互重叠，即一个程序段的执行，尚 未结束，另一个程序段的执行已经开始的这种执行方式。 程序的并发执行可分为两种: (1) 在计算机系统支持并行操作时，如采用多道程序 设计技术，则内存中多道程序处于并发执行状态。 6 2.1.2程序间并发执行 I1 P3 输入输入 设备设备 处理机处理机 打印机打印机 t1t2t3t4t5 I2 C1 I3 C2 P1 C3 P2 由于多道程序中由于多道程序中I Ii+1 i+1、 、C C i i 与与P Pi-1 i-1之间不存在前趋关系， 之间不存在前趋关系， 程序之间可以并发执行程序之间可以并发执行 并发执行并发执行 后，系统后，系统 效率提高效率提高 并发执行并发执行 后，系统后，系统 效率提高效率提高 7 2.1.3 程序的并发执行及其特征 (2) 并发执行是在某道程序的几个程序段中包含着一部分 可以同时执行或顺序颠倒执行的代码. 如: read(a); read(b); 可以同时执行,也可颠倒次序执行。对于这样的语句, 同时执行不会改变顺序程序所具有的逻辑性质. 总结:一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程 中其执行时间在客观上互相重叠,即一个程序的执行尚 未结束,另一个程序的执行已经开始的执行方式. 8 2.程序并发执行时的特征 1) 间断性:程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完 成某一项任务而合作，致使在并发程序之间存在相互制约 的关系。 2) 失去封闭性:程序在并发执行时，是多个程序共享系统 中的各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变 ，致使程序的运行失去了封闭性。 3) 不可再现性: 程序在并发执行时，由于失去了封闭性 ，也导致失去了可再现性。 9 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：N1操作；程序B每执行一次时， 都要做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。（假定某时刻变量N的值为n） （1）N：N1在print（N）和N：0之前，此时得到的N值 分别为： n1， n1， 0 （2）N：N1在print（N）和N：0之后，此时得到的N值 分别为： n， 0， 1 （3）N：N1在 print（N）和N：0之间，此时得到的N 值分别为： n， n1， 0 10 例：观察者/报告者 观察者： 报告者： begin begin repeat repeat wait a car go through delay a time N=N+1； Print N ； N=0 ； until until end end 初始N=n时不同执行序列： N=N+1； Print N； Print N ； Print N ； N=0 ； N=N+1 ； N=0 ； N=N+1 ； N=0 ； 结果各不相同: 打印n+1，N=0； 打印n，N=1；打印n ，N=0； 11 l程序的并发执行：人们在硬件上引入了通道和中断 技术，使得处理器和外部设备、外部设备和外部设 备之间可以并行工作。从而使系统的多个程序同时 活动，并由统一的操作系统来管理，这就是多道程 序系统。 l在单道系统中可以用程序代表顺序执行过程，但在多道系统 中，程序并行、制约等特征使程序这个静态的概念已不能描 述系统的运行情况了，为此操作系统引入了一个新的概念进 程。 12 2.1.4 进程的特征与状态 1.进程的定义和特征 进程：是指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本 单位，是一个活动实体。 简单的理解为，进程是程序在数据集合上的一次运行 过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。 进程是一个动态的概念，是一个运行过程。它不同于程 序，但又依赖于程序。对不同的数据集合，依照一定的程 序运行处理的每一个过程是不同的进程。 13 进程的特征 1)结构特征 从结构上看，进程是由程序段、数据段及进程 控制块三部分组成。 2)动态性 程序是指令的集合，进程是指令的执行过程。 动态性是进程最基本的特征。 PCB 程序段(正文段 ) 数据段(数据集合) 14 3)并发性 这是指多个进程实体，同存于内存中，能在一段时间 内同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也成为OS的 重要特征。引入进程的目的也是为了使该进程的程序能和 其它进程的程序并发执行。 4)独立性 进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系 统中独立获得资源和独立调度的基本单位。没有建立进程 的程序，不能作为一个独立的单位参加运行。 5)异步性 各进程按其各自独立的，不可预知的速度向前推进。 进程的特征 15 思考？ 进程与程序的区别？ 1 1）进程是程序的执行过程，是一个）进程是程序的执行过程，是一个动态的概念动态的概念 ；而程序是一组指令的有序集合，是一个；而程序是一组指令的有序集合，是一个静态静态 的概念的概念； 2 2）进程有一个生命周期，而）进程有一个生命周期，而程序是永久的程序是永久的； 3 3）通过多次执行，一个程序可对应多个进程；）通过多次执行，一个程序可对应多个进程； 4 4）通过调用关系，一个进程可包括多个程序；）通过调用关系，一个进程可包括多个程序； 5 5）进程由程序和数据组成。）进程由程序和数据组成。 16 2.进程的三种基本状态 1)就绪(Ready)状态 当进程已经分配到除CPU以外的所有必要的资源后，只 要能获得处理机，就可以立即执行。这时的进程的状态称 为就绪状态。 2)执行状态(Running)（运行状态） 指进程已获得处理机，其程序正在执行。在单处理机系 统中，只能有一个进程处于执行状态。（在多处理机中， 可能有多个进程处于执行状态。） 17 3)阻塞状态(Block) （等待状态） 进程因发生某个事件而暂停执行时的状态（如：请求 I/O、申请缓冲空间等），也就是说，进程受到阻塞，所以 称这种暂停状态为阻塞状态，有时也称“等待”状态或“睡眠 ”状态。 18 进程的特征与状态 处于就绪态进程:一般处于就绪态的进程按照一定的算法 （如先来的进程排在前面，或采用优先权高的进程排在前 面）排成一个就绪队列。 处于运行态进程:如系统有一个处理机，则在任何一时刻 ，最多只有一个进程处于运行态。 处于等待态进程:处于等待态的进程排在等待队列中。由 于等待事件原因不同，等待队列也按事件原因可分成几个 队列。 19 进程的基本状态转换 注意的三点： 1）进程从阻塞态到执行态，必须经过就绪态； 2）进程从执行态到阻塞态，一般由进程自己主动提出的； 3）一个进程由执行到就绪态总是由外界事件引起的，而不是该进程自己引 起的。 20 进程状态间的转换 就绪执行：调度 执行等待：等待某个事件发生而睡眠 等待就绪：因等待的事件结束而唤醒 执行就绪：时间片用完 练习： 1、如果系统中有n个进程，则就绪队列中进程的个数最多 为（ ）。 A、n+1 B、 n C、 n-1 D、1 2、设系统中有关n(n2)个进程，且当前不在执行进程调度 程序，试考虑下述四种情况： A、没有运行进程，有2个就绪进程，n个进程处于等待状态。 B、有1个运行进程，没有就绪进程，n-1个进程处于等待状态。 C、有1个运行进程，有1个就绪进程，n-2个进程处于等待状态。 D、有1个运行进程，n-1个就绪进程，没有进程处于等待状态。 上述情况中，不可能发生的情况是（ ）。 C A 21 【思考题】 1如果系统中有N个进程，运行的进程最多几个 ，最少几个；就绪进程最多几个最少几个；等 待进程最多几个，最少几个？ 2. 有没有这样的状态转换，为什么？ 等待运行； 就绪等待 3. 一个状态转换的发生，是否一定导致另一个 转换发生，列出所有的可能 22 1.进程控制块的作用 进程控制块是操作系统用于记录和刻画进程状态及 有关信息的数据结构。 进程控制块是进程存在的唯一标志，当系统或父进 程创建一个进程时，实际上就是为其建立一个进程控制 块。 进程控制块既能标识进程的存在，又能刻画出进程 的动态特征，它是一个进程仅有的被系统真正感知的部 分。对操作系统而言，所有PCB将构成并发执行控制和 维护系统工作的依据。 2.1.5进程控制块 23 PCB 程序段(正文段)数据段(数据集合) 处理机状态 进程调度信息 2.进程控制块中的信息 内/外部标识符 通用寄存器 指令计数器 程序状态字PSW 用户栈指针 进程状态 进程优先级 其它信息/事件 程序和数据的地址 进程同步和通信机制 PCB中的信息 进程标识符 进程控制信息 资源清单 链接指针 24 为了方便管理,把处于相同状态的进程链接在一 起，称为“进程队列”。 常用的组织方式有两种：链接方式（单/双向）、索引方式 。 3. 进程控制块的组织方式 1、链接方式 具有相同状态的PCB，用其中的链接字，链接成一个队 列。这样就可以形成就绪队列、若干个阻塞队列和空白队列 等。对其中的就绪队列常按照进程优先权的大小排列，把优 先权高的进程的PCB排在队列前面。 进程队列：不同状态进程分别组成就绪队列、 等待队列、空白队列。 25 执行指针 就绪队列指针 阻塞队列指针 空闲队列指针 PCB1 PCB2 PCB3 PCB4 PCB5 PCB6 PCB7 PCB8 PCB9 4 3 0 8 7 9 0 10 PCB链接队列示意图 26 (a)等待队列分开 PCB5 执行队列 就绪队列 阻塞队列1 阻塞队列2 队列表头 PCB8PCB1PCB4 PCB3PCB2 PCB7 27 (b)等待队列不分开 就绪队列 阻塞队列 PCB1 PCB7PCB2PCB3 PCB8 PCB4 28 队首指针 进程A进程B进程E 0 PCBAPCBBPCBE 单向链接 队首指针 0 0 PCBAPCBBPCBE 进程A 进程B进程E 双向链接 29 2.索引方式 系统根据所有进程的状态，建立几张索引表。 例如：就绪索引表、阻塞索引表。并把各索引表在 内存的首地址记录在内存中的一些专用单元中。每 个索引表的表目中，记录具有相同状态的某个