操作系统21082

第二章进程管理 本章要点 1 基本概念程序并发执行的概念 与顺序执行的区别 进程的概念 进程的引入 定义 特征或特性 线程的概念 线程的引入 与进程之区别 2 进程的基本状态与进程控制块 PCB 3 进程控制 进程的创建 终止 阻塞与唤醒 4 进程的互斥 同步与进程通信 一 进程的基本概念多道程序系统 多道程序并发执行 间断执行 程序 计算机指令 语句 有序集合 动态执行特征 引入新的实体 进程 process 1 程序的顺序执行与并发执行作业程序由若干程序段组成 程序的顺序执行I1 C1 P1 I2 C2 P2 I3 特性 顺序性封闭性可再现性 I输入C计算P输出 程序的并发执行除存在前驱关系的程序外 无前驱 后继关系的程序可 同时 执行 并发执行 即 多个程序在一段时间间隔内同时执行 特性 间断性失去封闭性不可再现性 例 两个程序A B共享同一变量 资源 NPA L1 N PB L2 PRINT N GoToL1 N 0 GoToL2 设执行前 N初始值为n 顺序执行 PA PB各执行一次 无论何时均得到同一结果并发执行 三种不同语句执行顺序得到三种不同结果 即不可再现 2 进程 process 的定义与特征 定义程序 一组指令的有序集合 静态 进程 具有活动特征的 程序 动态 为了更好的刻画 描述程序并发执行的过程 并对其进行控制所引入的新的实体 可并发执行的程序在某数据集合上的运行过程是OS进行资源分配 调度及独立运行的基本单位 特征 特性 结构性 动态性 并发性 独立性 异步性 程序与进程的区别与联系进程与程序的区别 程序进程 指令的有序集合程序的一次执行静态 无生命期动态 有生命期可长期保存因创建而产生 撤消而消亡 进程与程序的联系 每个进程都必须与某一个程序相对应 同一个程序可以对应多个进程 即多个进程可以含有相同的程序 3 进程的状态 三个基本状态及状态间转换原因 创建 创建状态和终止状态 P39下 创建 终止 具有挂起状态的状态图 P39图2 6 4 进程控制块 PCB 与进程队列 PCB ProcessControlBlockPCB 用于描述进程基本情况信息 对进程实施控制与管理的辅助数据结构 表 PCB包含的内容 P41下 进程标识信息处理机状态信息进程调度信息进程控制信息 PCB是进程存在与否的唯一标志 进程队列 由PCB排成的队列 主要有就绪队列 阻塞队列等 二 进程控制是进程管理的主要功能之一 也是最基本的功能 进程创建 进程终止 进程的阻塞与唤醒1 OS的内核与原语的概念内核 OS的核心层部分 包括中断处理 时钟管理 原语 OS内核中能完成某特定功能的小程序 其在执行期间不允许被分割 2 进程的创建 父进程 子进程和进程 家族 树 引起进程创建的相关事件 因素 终端用户登录作业调度服务请求应用请求 进程创建步骤及算法流程 创建原语 为新进程分配空白PCB表分配资源初始化PCB 置PCB状态为就绪PCB插入就绪队列 插入进程树 3 进程的终止 撤消 引起进程终止的因素进程正常运行结束出错或异常结束外界干预 强行终止 进程终止的步骤及过程 终止原语 若被终止进程正在执行 则释放CPU终止 撤消 该进程的所有子进程释放资源 归还给父进程或系统将其PCB从相关队列中摘除 释放PCB 或由父进程 4 进程的阻塞与唤醒 引起进程阻塞 唤醒 的因素请求系统服务 请求得到满足 启动某种操作 操作完成 等待新数据到达 新数据已送达 进程完成任务 暂无事可做 又有新任务 进程阻塞的步骤及过程 阻塞或睡眠原语 暂停执行 释放CPU置再 重新 调度标志保存CPU现场信息置PCB状态为阻塞 PCB插入对应阻塞队列 进程唤醒的步骤及过程 唤醒原语 将被唤醒进程PCB从阻塞队列中摘除置PCB状态为就绪将PCB插入就绪队列注 阻塞为自行操作 唤醒为他人行为 三 进程的互斥与同步1 同步 互斥 的概念问题的引出进程并发执行 资源共享 竞争 冲突 存在异步特性 合作进程步调不一致 解决的办法采取制约措施 间接制约 相互排斥 直接制约 步调一致 临界资源和临界区临界资源 一次仅允许一个进程使用 访问 的资源临界区 使用 访问 临界资源所对应的程序例 公共变量count可被P1 P2共享 其程序代码为 P1 R1 count R1 count R1 P2 R2 count R2 count R2 临界区1 临界区2 若P1 P2顺序执行共享使用count 执行一遍P1 P2 count值不变 若P1 P2并发执行共享使用count P1 P2各执行一遍count值最终可能不正确 原因 count属于临界资源 必须互斥使用 互斥概念互斥 为阻止进程同时进入临界区所采取的一种制约措施 为确保临界资源正确地访问 使用 所采取的一种排他性制约措施 同步概念 为确保合作进程能协调运行所采取的一种直接的制约措施 2 进程互斥的实现互斥应遵循的规则空闲让进忙则等待有限等待让权等待 实现互斥的方法 锁位测试法 关锁与开锁原语 硬件测试与设置指令信号量与P V操作 信号量 整型信号量记录型信号量AND型信号量信号量集 P V操作原语 针对记录型信号量 进程互斥实现过程 P V操作法 P1 P S 临界区1V S P2 P S 临界区2V S 注 利用信号量S实现互斥 其S V的初值置为1 3 利用信号量与P V操作实现进程同步例 4 经典同步问题生产者 消费者问题哲学家进餐问题读者 写者问题 5 互斥与同步的混合问题问题的关键 要能区分哪个问题是需要互斥的 哪个问题涉及到要同步的 例1 某仓库可放8台设备 入库出库的运输工具只有一套 且每次只能运送一台设备 请设计一个能协调生产部门和销售部门的调度管理系统 程序 解 问题分析 产品入库 出库的运送操作 由于只有一套运输工具 故必须要进行互斥 只有仓库有空时 才能放入一台设备 否则要等出库后空出空间才能放入设备 另外 只有仓库有产品时才能出库销售 否则要等到又有一台设备入库后才能出库 这是同步问题 算法的实现设置三个信号量S1 S2和S S1 S2用于同步 S1的初值为8 表示仓库容量 S2的初值为0 表示开始尚无产品 S用于互斥 初值为1 表示运输工具开始是空闲的 自动调度管理系统的程序 说明 互斥 资源共享使用权的争夺和排斥 同步 资源共享时的合作与协调 程序中P操作的顺序不能改变 即必须先判断是否可入库或出库 P S1 或P S2 然后才能判断是否可实施入库或出库操作 P S 否则就有可能发生错误而导致系统瘫痪 发生死锁 学员可自己举例说明问题 比如 送奶员与客户共对一个牛奶箱送取牛奶的问题等 例2 一个盘子放水果和取水果的互斥与同步问题 爸爸 放一个苹果 妈妈 放一个桔子 儿子 取一个桔子 女儿 取一个苹果 这是四个进程的同步问题 可以通过做实验来说明 解 设置三个信号量 S SO SP S 表示盘子是否是空的 初值为1 SO 表示盘子中是否有桔子 初值为0 SP 表示盘子中是否有苹果 初值为0 爸爸 只有盘子空才能放苹果 P S 妈妈 只有盘子空才能放桔子 P S 儿子 只有盘子中有橘子才能取桔子 P SO 女儿 只有盘子中有苹果才能取苹果 P SP 四 进程通信进程间的信息交换与传递低级通信 只传送少量数据 且对用户不透明 高级通信 可传送大量信息 数据 由OS提供通信手段并实施 1 通信类型消息传递系统共享存储器系统管道通信系统 2 消息缓冲通信 直接通信方式 工作原理 消息缓冲区与消息缓冲队列缓冲区结构 消息缓冲队列 消息缓冲区链成的队列 每个进有一个 其队首指针存放在对应进程的PCB中 PCB中用于消息通信的相关数据项 消息发送原语和接收原语发送原语send 接收进程名 发送区首地址 接收原语receive 接收区地址 发送原语算法流程 接收原语算法流程 注 缓冲队列的插入 删除操作必须采取互斥措施 3 信箱通信 间接通信方式 工作原理 信箱结构与类型信箱头 信箱描述部分信箱体 数据 消息 存放部分信箱类型 私用信箱共享信箱公用信箱 操作原语创建信箱原语撤销信箱原语发送原语接收原语链接操作原语 4 共享存储器通信 工作原理 5 管道通信 工作原理利用管道文件进行数据传送 五 线程 threads 1 进程特征回顾进程是可独立运行并拥有资源的基本单位即 进程是可由OS调度 分派的基本单位 同时也是可拥有系统资源的独立单位存在问题 进程并发执行 存在间断特性 随时切换切换操作 花费系统大量开销 运行效率下降2 线程的引入线程 由进程创建 是OS调度 分派的基本单位 不再是拥有资源的独立单位 进程切换 通过线程切换来实施 系统开销小 相当于轻装上阵 特别是针对多处理机系统 可改善其性能 3 线程的状态与控制类同于进程并可实施线程间的同步与通信 六 本章小结1 基本概念程序并发执行的概念 与顺序执行的区别 进程的概念 进程的引入 定义 特征或特性 线