《处理器管理》PPT课件.ppt

,信息科学与技术学院王静,第八章处理器管理,处理器的管理是操作系统的一个主要管理功能之一，它是通过处理器调度的形式实现的，主要目标是各道程序能协调一致运行，而系统资源又能得到最大程度的利用。处理机调度要解决的是：宏观上讲是让用户提交的作业何时调入内存，哪些作业进入系统运行的问题；微观上讲是让具体哪一个进程占用CPU的问题,8.1作业的概念,1、作业的定义作业是用户在一次算题过程中或一个事务处理中要求计算机系统所做的工作的集合。一个作业是由一系列有序的作业步所组成。一个作业步运行的结果产生下一个作业步所需的文件。,2、作业的组成作业由程序、数据和作业说明书组成。系统通过说明书控制文件形式的程序和数据，使之执行和操作，并在系统中建立作业控制块的数据结构。,3、作业的状态一个作业从进入系统到运行结束，一般要经历提交、收容、执行、完成4种状态。,1）提交状态：用户向机房提交作业或通过终端键盘将作业输入，其作业所处的状态。2）收容状态：作业的全部信息已输入外存储器中并建立作业控制块（JCB）表，等待运行，又称后备状态。,3）执行状态：作业被调度程序选中后就给它分配必要的资源，并按照作业步的顺序，依次为每个作业步建立对应的主进程，然后将其提交给进程模块，由进程调度程序管理并调度执行。,8.2进程的概念,一、进程概念的引入并发性是程序（Program）的并发执行，但是程序执行时所产生的问题使得传统的程序概念已经不足以对其进行描述，为此，引入进程（Process)的概念。,二、进程的定义进程是具有一定独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动。进程是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,三、进程与程序的区别(1)进程是动态概念，程序是静止概念。(2)进程的存在是暂时的，程序的存在是永久的。(3)一个程序对应多个进程，而一个进程仅对应一个程序,(4)进程在结构上是由程序、数据集、进程控制块（PCB）三部分组成的。,四、作业和进程的关系作业是用户向计算机提交任务的任务实体，而进程是完成用户任务的执行实体；一个作业可由多个进程组成，且必须至少有一个进程；作业的概念主要用在批处理系统中，而进程的概念则几乎用在所有多道系统中。,8.3进程状态及进程控制,一、进程的三种状态及其变化就绪：当一个进程已经获得除处理器外的所有资源时所处的状态。该进程一旦获得处理器即可立即执行。,就绪,运行,阻塞,运行：,当一个进程已经获得所有资源并在处理器上执行的状态。对于单处理器单核，在某一个时刻，只有一个进程在处理器上运行。,阻塞(等待)：进程在等待某事件的发生（如等待输入输出、申请缓冲空间或等待其它进程给它发送消息）而暂时不能执行的时候所处的状态，又称阻塞状态。处于这种状态的进程必须等待该事件发生，并且获得处理器后才能运行。,在实际系统中，为了调度和控制的方便，还引入另外一些状态，如新建状态、终止状态、挂起状态等。,二、进程控制块进程的描述:通常采用进程控制块(ProcessControlBlock，简称PCB)来描述。记录包括进程状态、内存信息和文件管理信息。进程名和标识码：进程名是进程的外部名称，标识码是进程的内部名称，是系统规定的唯一的进程编号。位置信息：进程的程序和数据在存储器中的物理位置。,进程状态信息：表明当前处于生存期中的哪个状态。调度的优先权数通信有关的信息进程现场保护区：包括程序状态字、程序计数器、通用寄存器内容、存储映射寄存器等。,资源需求、分配和控制信息其它在进程的整个生命期中，对进程的控制都是通过PCB来进行。,三、进程控制一、进程控制（管理）任务（1）进程的建立（2）进程的撤消（3）进程的阻塞（4）进程的唤醒,实现进程的管理使用原语。二、进程控制原语（原语由若干条机器指令构成的，用以完成某一特定功能的一段程序。原语在执行期间是不可分割的。）,（1）创建原语：按进程调用者提供的参数，形成PCB、插入就绪队列、进入家族。（2）挂起（阻塞）原语：将某进程置于挂起状态。（3）唤醒原语：将处于静止状态的进程变为活动状态。（4）撤消原语：撤消进程，释放所占用的所有资源，,8.4处理器调度,操作系统对处理器的管理通过处理器调度的形式实现。处理器调度分为高级调度、中级调度和低级调度三级。一、调度任务：按照一定的算法，动态地把CPU分配给就绪队列的某一进程，并使之执行。给就绪队列的某一进程，并使之执行。,二、调度方式（1）剥夺方式：剥夺正在运行的进程的处理机，分配给其他进程。（Windows95/98采用剥夺方式）（2）非剥夺方式：一旦占有，一直拥有，直到进程运行完或阻塞，才把处理机使用权分配给其他进程.（Windows3.x采用）,三、调度算法1.先来先服务调度算法它是按照进程进入就绪队列的先后次序来选择可占有CPU的进程，谁先进入队列，谁就先使用CPU。,2.优先级调度策略(1)静态优先数法：根据进程类型、要求资源数量、运行时间指定一个优先数，在进程运行期间保持不变。(2)动态优先数法：随着进程的变化，不断修改优先级。,3.时间片轮转法（1）固定时间片轮转法常用于分时操作系统的调度。确保每个进程公平地获得执行权。按照先进先出的原则分配处理机。,（2）多重时间片轮转法设多个不同时间片的就绪队列，各队列按时间片从小到大顺序排列。进程从挂起到就绪状态，首先进入时间片较小的队列，分配相应的时间片，时间片用完，立即释放并进入下一级的就绪队列。,特点：先用较小的时间片处理完需时间较短的进程，而给需要时间较长的进程分配较大的时间片，以免较长的进程频繁地被中断。,4.短进程优先选择在就绪队列中的下一次运行所需时间最短的进程来分配CPU。,8.5进程的互斥与同步,一、同步与互斥的概念在多道程序环境中，多个进程之间存在资源竞争共享的关系。系统对进程必须独占使用的资源要进行统一分配，以保证进程能互斥访问。,临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源。如打印机、读卡机、缓冲区、变量等。临界区：进程中使用临界资源的那段程序。各进程之间存在着相互制约、相互依赖的关系，同步:一组合作进程在运行中，由于是异步的，进程之间要协调其推进的速度，以便正确完成作业运行。互斥：对于某一临界资源，一组进程不能同时进入临界区去使用它。一个进入，其他必须等待。,例1：进程同步的例子电子邮件信箱当信箱满时，发送进程只有等待接收进程取走信件，当信箱空时，接收进程必须等待发送进程发送信件。,二、进程的同步与互斥的实现方法用P-V原语对进程中信号量进行操作的方法（简称P-V操作）。原语：由若干条机器指令构成，完成某一特定功能的一段程序。,信号量的概念和P、V原语是荷兰科学家提出的。把交通管理的信号灯方法搬到了操作系统中。所谓信号量是一个与队列有关的整型变量，表示系统中某类资源的数量。当其值大于0时，表示系统中尚有可用资源；当其值为负时，其绝对值表示等待该资源的进程的数目。信号量的值仅能由P操作和V操作来改变，操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理。,P原语操作过程：P操作记为P（S），其中S为一信号量，其执行顺序完成以下两个动作：（1）S=S-1，表示申请使用一个资源；（2）若S0，表示系统中有资源可用，现进程可继续执行。（3）若S0，表示系统中没有等待该资源的进程，现进程可继续执行。（3）若S0，表示系统中有等待该资源的进程，则唤醒S信号量队列中的第一个进程，使其插入到就绪列，继续执行现进程。,三、P-V操作的应用（1）实现进程互斥（2）实现进程同步（3）实现进程同步与互斥生产者与消费者问题信号量S：初值为1，表示没有进程进入临界区。信号量S0：初值为0，表示产品数目。信号量Sn：初值为n，表示缓冲区中空位置个数。,如何看出两个进程是互斥还是同步关系？互斥：通常定义一个信号量；同步：通常定义两个信号量；,8.6死锁问题,一、死锁(Deadlock)：多个进程因竞争资源而形成一种僵持局面，出现没有一个进程能继续运行。,二、死锁产生必须同时具有的四个必要条件：（）资源独占性。（如打印机，串行口）（）资源的不可剥夺性。（C）资源采用动态的部分分配原则（即允许一个进程不释放已占有的资源，就又去申请别的资源。）（）出现相关进程由于资源分配不当而出现循环等待。,例如：进程A和B以下面的推进速度前进，导致死锁。1.A：申请打印机2.B：申请串行口13.A：申请串行口14.B：申请打印机,死锁问题并非仅仅在操作系统环境中才出现，在日常生活环境中也会出现。例如过一条独木桥，过桥人都只前进并不后退。那么当两个人从桥上两端同时上桥就会在桥中间相遇，这样两个人就只能在桥上相对而立谁也过不去。,过桥人就相当于进程，而走过的桥部分相当于占有的资源，还未走的桥部分就相当于要申请的资源。显然，如果两人中有一个人能够退回到桥的一端，那么死锁问题就解决了。用操作系统的术语来说操作系统要剥夺某个进程所占有的资源。如果一个人从桥一端过河而不管对方是否有人在桥上那么总是会出现死锁的。,三、解决死锁的办法（）死锁的预防破坏产生死锁的4个必要条件中的任何一个。关于资源独占性：采用假脱机技术可以使非共享设备变为共享设备。(如使用“虚拟打印机”)破坏“资源的不可剥夺性”（申请不到资源时，释放原先已占有的，进入等待，以后再一起申请）。破坏对资源采用动态的部分分配原则（每个进程必须提出它所需要的全部资源，只有完全满足时，才能启动）。破坏循环等待。,（B）死锁的避免躲避死锁的发生。（C）死锁的检测与恢复允许死锁产生,当死锁发生时能检测出来，并且有能力处理，进行恢复。,采用虚拟技术，使非共享设备变成共享设备，以避免死锁,为了避免死锁的发生,系统对进程提出的每一个资源请求,先