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1、第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science1第二章第二章 进程管理进程管理 2.1 2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 2.2 2.2 进程进程 的描述的描述2.3 2.3 进程控制进程控制 2.4 2.4 进程同步进程同步 2.5 2.5 经典进程的同步问题经典进程的同步问题 2.6 2.6 进程通信进程通信 2.7 2.7 线程的基本概念线程的基本概念 2.8 2.8 线程的实现线程的实现 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Compute

2、r Science21. 程序顺序执行时的特征程序顺序执行时的特征 (1) 顺序性:(2) 封闭性: (3) 可再现性: 2. 程序并发执行时的特征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 u 简单回顾简单回顾第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science3程序与进程之间的区别程序与进程之间的区别 进程更能真实地描述进程更能真实地描述并发并发,而程序不能,而程序不能 进程是由进程是由程序,数据和控制块程序,数据和控制块三部分组成的三部分组成的 程序是静态的,进程是程序是静态的,进程是动

3、态动态的的 进程有进程有生命周期生命周期,有诞生有消亡,短暂的;而程序,有诞生有消亡,短暂的;而程序是相对长久的是相对长久的 一个程序可对应一个程序可对应多个多个进程,反之亦然进程,反之亦然 进程具有进程具有创建其他进程创建其他进程的功能,而程序没有的功能,而程序没有第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science4 较典型的进程定义有:较典型的进程定义有: (1) 进程是程序的一次执行。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

4、动。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。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,我们可以把在引入了进程实体的概念后,我们可以把传统传统OS中的中的进程定义进程定义为:为:“进程是进程实体的运行过程,是系统进行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资源分配和调度的一个独立单位”。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science52. 进程的三种基本状态进程的

5、三种基本状态 1)执行执行(Running)状态状态2) 就绪状态就绪状态3) 阻塞状态阻塞状态 图 2-5 进程的三种基本状态及其转换 就绪就绪就绪就绪阻塞阻塞执行执行I/O完成I/O请求进程调度时间片完第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science6增加增加: : 创建状态,终止状态创建状态,终止状态创建创建( (新新new)new)状态状态OS OS 已完成为创建一进程所必要的工作已完成为创建一进程所必要的工作 已构造了进程标识符已构造了进程标识符 已创建了管理进程所需的表格已创建了管理进程所需的表格但还没

6、有允许执行该进程但还没有允许执行该进程 ( (尚未同意尚未同意) ) 因为资源有限因为资源有限 终止(退出终止(退出exit)exit)状态状态 中止后进程移入该状态中止后进程移入该状态 它不再有执行资格它不再有执行资格 表格和其它信息暂时由辅助程序保留表格和其它信息暂时由辅助程序保留 一旦其他进程完成了对终止态进程的信息一旦其他进程完成了对终止态进程的信息抽取之后,系统将删除该进程。抽取之后,系统将删除该进程。第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science7原因:(1)终端用户的请求:修改程序 (2)父进程请求

7、:对子进程的修改等 (3)负荷调节的需要:资源不足 (4)操作系统的需要:检查资源利用情况2.2.3. 挂起操作和进程状态的转换挂起操作和进程状态的转换第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science82.进程状态的转换进程状态的转换 (1) 活动就绪活动就绪静止就绪。静止就绪。 (2) 活动阻塞活动阻塞静止阻塞。静止阻塞。 (3) 静止就绪静止就绪活动就绪。活动就绪。 (4) 静止阻塞静止阻塞活动阻塞。活动阻塞。 图 2-7 具有挂起状态的进程状态图 执行执行静止就绪。静止就绪。 挂起挂起 激活激活 就绪状态就绪

8、状态(Ready):进程在内存且可立即进入运行状态:进程在内存且可立即进入运行状态阻塞状态阻塞状态(Blocked):进程在内存并等待某事件的出现:进程在内存并等待某事件的出现静止阻塞静止阻塞/阻塞挂起状态(阻塞挂起状态(Blocked, suspend):进程在外):进程在外存并等待某事件的出现存并等待某事件的出现静止就绪静止就绪/就绪挂起状态(就绪挂起状态(Ready, suspend):进程在外存,):进程在外存,但只要进入内存,即可运行但只要进入内存,即可运行第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science

9、9活动活动挂起挂起事件事件发生发生事件事件发生发生等待等待事件事件挂起挂起调度调度超时超时释放释放活动活动挂起挂起挂起(挂起(Suspend):把一个进程从内存转到外存可):把一个进程从内存转到外存可能有以下几种情况能有以下几种情况 活动阻塞活动阻塞静止阻塞静止阻塞:没有进程处于就绪状态:没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资源时,发生这种转或就绪进程要求更多内存资源时,发生这种转换,以提交新进程或运行就绪进程换,以提交新进程或运行就绪进程 活动就绪活动就绪静止就绪静止就绪:当有高优先级阻塞(系:当有高优先级阻塞(系统认为会很快就绪的)进程和低优先级就绪进统认为会很快就绪的)进程和低优先

10、级就绪进程时,系统会选择挂起低优先级就绪进程程时,系统会选择挂起低优先级就绪进程 运行运行静止就绪静止就绪:对抢占式系统,当有高优先:对抢占式系统,当有高优先级静止阻塞进程因事件出现而进入静止就绪时,级静止阻塞进程因事件出现而进入静止就绪时,系统可能会把运行进程转到静止就绪状态系统可能会把运行进程转到静止就绪状态第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science10活动活动挂起挂起事件事件发生发生事件事件发生发生等待等待事件事件挂起挂起调度调度超时超时释放释放活动活动挂起挂起激活(激活(Activate):把一个进程

11、从外存转到):把一个进程从外存转到内存;可能有以下几种情况:内存;可能有以下几种情况: 静止就绪静止就绪活动就绪活动就绪:没有就绪进程或:没有就绪进程或挂起就绪进程优先级高于就绪进程时,挂起就绪进程优先级高于就绪进程时,发生转换发生转换 静止阻塞静止阻塞活动阻塞活动阻塞:当一个进程释放:当一个进程释放足够内存时,系统会把一个高优先级阻足够内存时,系统会把一个高优先级阻塞挂起进程(系统认为会很快出现所等塞挂起进程(系统认为会很快出现所等待的事件)转换为阻塞状态。待的事件)转换为阻塞状态。第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Compute

12、r Science11可中断的睡眠状态的进程会睡眠直到某个条件变为真,如产生一个硬件中断、释放进程正在等待的系统资源或是传递一个信号都可以是唤醒进程的条件。可中断的睡眠状态的进程会睡眠直到某个条件变为真,如产生一个硬件中断、释放进程正在等待的系统资源或是传递一个信号都可以是唤醒进程的条件。 可中断的睡眠状态的进程会睡眠直到某个条件变为真,如产生一个硬件中断、释放进程正在等待的系统资源或是传递一个信号都可以是唤醒进程的条件。 只能被如硬件中断、正在等待的系统资源被释放等唤醒,对其他进程传递的信号不响应。第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of

13、 Computer Science12 进程程序进程程序 用户所要执行的语句序列,必须有用户所要执行的语句序列,必须有 进程数据进程数据 用户程序所要处理的数据用户程序所要处理的数据 数据量可大可小,也可以没有数据量可大可小,也可以没有 栈栈 用于过程调用和参数传递用于过程调用和参数传递 进程控制块进程控制块PCB (PCB (进程属性进程属性) ) 处于核心段处于核心段 用户进程不能直接访问、修改自己的用户进程不能直接访问、修改自己的PCB第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science132.1.4 进程管理中

14、的数据结构进程管理中的数据结构1. 操作系统中用于管理控制的数据结构操作系统中用于管理控制的数据结构内存设备文件进程内存表设备表文件表进程1进程2进程n进程1进程n进程实体及所用资源列表图图2-9 操作系统控制表的一般结构操作系统控制表的一般结构第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science142. 进程控制块进程控制块PCB的作用的作用 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独立运行的程序(含数据含数据),成为一个能独立运行的基本单,成为一个能独立

15、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,位,一个能与其它进程并发执行的进程。或者说,OS是是根据根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的来对并发执行的进程进行控制和管理的。系统为了管理进程设置的系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构一个专门的数据结构,用它,用它来来记录进程的外部特征,描述进程的运动变化过程记录进程的外部特征,描述进程的运动变化过程 系统利用系统利用PCBPCB来控制和管理进程,所以来控制和管理进程,所以PCBPCB是系统是系统感知感知进程存在的唯一标志进程存在的唯一标志进程与进程与PCBPCB是一一对应的是一一对应的/include/linux/sche

16、d.h 中 struct task_struct第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science15PCBPCB的内容的内容第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science163. 进程控制块中的信息进程控制块中的信息 1) 进程标识符进程标识符 进程标识符用于唯一地标识一个进程。两种标识符: (1) 内部标识符内部标识符。 在所有的操作系统中,都为每一个进程赋予一个唯一的数字标识符数字标识符,它通常是一个进程的序号。 设置内部标识符主

17、要是为了方便系统方便系统使用。 (2) 外部标识符外部标识符。 它由创建者提供,通常是由字母、数字组成由字母、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。 PCB中的信息包含:中的信息包含: 进程标识符,处理机状态,进程调度信息,进程控制信息。进程标识符,处理机状态,进程调度信息,进程控制信息。第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science17 2) 处理机状态处理机状态 处理机状态信息主要是由处理机的

18、各种寄存器中的内容组成的。 通用寄存器通用寄存器 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;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; 指令计数器指令计数器,存放了要访问的下一条指令的地址;存放了要访问的下一条指令的地址; 程序状态字程序状态字PSW,其中含有状态信息,如条件码(体现(体现当前指令执行结果的各种状态信息。如有无进位(当前指令执行结果的各种状态信息。如有无进位(CY位),有无溢出(位),有无溢出(OV位),结果正负(位),结果正负(SF位),位),结果是否为零(结果是否为零(ZF位),奇偶标志位(位),奇偶标志位(P位)等)、位)等)、执行方式、 中断

19、屏蔽标志等; 用户栈指针用户栈指针 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。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 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science18 3) 进程调度信息进程调度信息 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: 进程状态进程状态; 进程优先级进程优先级; 进程调度所需的其它信息进程调度所需的其它信息; 事件事件,即阻塞原因。 第二

20、章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science19 4) 进程控制信息进程控制信息 进程控制信息包括: 程序和数据的地址程序和数据的地址 ; 进程同步和通信机制进程同步和通信机制; 资源清单资源清单; 链接指针链接指针 。 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它给出了本进程(PCB

21、)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science20PCBPCB的内容的内容注意:不同操作系统中对进程的控制和管理机制不一样,注意:不同操作系统中对进程的控制和管理机制不一样,PCBPCB中的信息多少也不一样中的信息多少也不一样第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science213. 进程控制块的组织方式进程控制块的组织方式 1) 链接方式(Linux采用) 图 2-11 PCB链接队列示意图 P

22、CB14PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7PCB8PCB93087901执行指针就绪队列指针阻塞队列指针空闲队列指针链接方式, 索引方式 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science222) 索引方式 图 2-12 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 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science23第二章 进程的描述与控制 H

23、eb Nomal University Department of Computer Science24第二章第二章 进程管理进程管理 2.1 2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 2.2 2.2 进程进程 的描述的描述2.3 2.3 进程控制进程控制 2.4 2.4 进程同步进程同步 2.5 2.5 经典进程的同步问题经典进程的同步问题 2.6 2.6 进程通信进程通信 2.7 2.7 线程的基本概念线程的基本概念 2.8 2.8 线程的实现线程的实现 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science252.

24、3 进进 程程 控控 制制 2.3.1 操作系统内核操作系统内核u处理器管理的一个主要工作是对进程的控制,处理器管理的一个主要工作是对进程的控制,u包括:创建进程、阻塞进程、唤醒进程、挂起进程、激活进程、包括:创建进程、阻塞进程、唤醒进程、挂起进程、激活进程、终止进程和撤销进程等终止进程和撤销进程等现代现代OS一般采用分层结构一般采用分层结构与硬件紧密相关的模块与硬件紧密相关的模块常用设备的驱动程序常用设备的驱动程序运行频率较高的模块运行频率较高的模块硬件硬件A0A1AnOS内核保护软件;提高保护软件;提高OS效率效率第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Depa

25、rtment of Computer Science26处理机的执行状态:处理机的执行状态:u系统态(管态),内核态系统态(管态),内核态 可执行可执行特权特权指令,访问指令,访问所有的所有的寄存器和存储区寄存器和存储区u用户态(目态)用户态(目态) 可执行可执行非特权指令非特权指令,访问指定的寄存器和存储区,访问指定的寄存器和存储区一般一般OS内核的功能:内核的功能:支撑功能支撑功能 中断处理、时钟管理、原语操作中断处理、时钟管理、原语操作资源管理功能资源管理功能 进程管理、存储器管理、设备管理进程管理、存储器管理、设备管理第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University

26、Department of Computer Science272.3.2 进程的创建进程的创建 1. 进程的层次结构进程的层次结构 图 2-13 进程树 DEFGHBCIJKLMA2. 进程图进程图(Process Graph) 父进程父进程:创建进程的进程。:创建进程的进程。子进程子进程:被创建的进程。:被创建的进程。各自工作区,仅共享父进程打开的文件各自工作区,仅共享父进程打开的文件祖先祖先进程进程用户用户进程进程系统系统进程进程用户用户进程进程用户用户进程进程进程家族树进程家族树第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Comput

27、er Science283. 引起创建进程的事件引起创建进程的事件 (1) 用户登录。用户登录。 (2) 作业调度。作业调度。 (3) 提供服务。提供服务。 (4) 应用请求。应用请求。 系统为用户创建一个进程,并插入就绪队列 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science294. 进程的创建进程的创建(Creation of Progress) (1)申请空白申请空白PCB。 (2) 为新进程分配资源。为新进程分配资源。 (3) 初始化进程控制块。初始化进程控制块。 (4) 将新进程插入就绪队列,或直接投入运行

28、。将新进程插入就绪队列,或直接投入运行。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science302.3.3 进程的终止进程的终止 1. 引起进程终止引起进程终止(Termination of Process)的事件的事件 1) 正常结束 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指令或终止的系统指令或终止的系统调用。当程序运行到调用。当程序运行到Holt指令时,将产生一个中断,去通知指令时,将产生一

29、个中断,去通知OS本进程已经完本进程已经完成。成。 在分时系统中,用户可利用在分时系统中,用户可利用Logs off去表示进程运行完毕,去表示进程运行完毕, 此时同样可此时同样可产生一个中断,去通知产生一个中断,去通知OS进程已运行完毕。进程已运行完毕。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science31 2) 异常结束异常结束 在进程运行期间,由于出现某些错误和故障而迫使进程在进程运行期间,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:终止。这类异常事件很多,常见的有: 越界错误。越界错误。

30、程序所访问的存储区,已越出该进程的区域;程序所访问的存储区,已越出该进程的区域; 保护错。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;适当的方式进行访问,例如,进程试图去写一个只读文件; 非法指令。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,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;可能是程序错误地转移到数据区,把数据当成了指令; 特权指令错。特权指令错。用户进程试图去执行一条只允许用户进程试图去执行一条只允

31、许OS执行的指令;执行的指令; 运行超时。运行超时。进程的执行时间超过了指定的最大值;进程的执行时间超过了指定的最大值; 等待超时。等待超时。进程等待某事件的时间,进程等待某事件的时间, 超过了规定的最大值;超过了规定的最大值; 算术运算错。算术运算错。进程试图去执行一个被禁止的运算,例如,被进程试图去执行一个被禁止的运算,例如,被0除;除; I/O故障。故障。指在指在I/O过程中发生了错误等。过程中发生了错误等。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science32 3) 外界干预外界干预 外界干预并非指在本进程

32、运行中出现了异常事件,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。而是指进程应外界的请求而终止运行。这些干预有: 操作员或操作系统干预。操作员或操作系统干预。 由于某种原因,例如,发生了死锁,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;由操作员或操作系统终止该进程; 父进程请求。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由于父进程具有终止自己的任何子孙进程的权利,利, 因而当父进程提出请求时,系统将终止该进程;因而当父进程提出请求时,系统将终止该进程; 父进程终止。父进程终止。 当父进程终止时,当父进程终止时,OS也将他的所有子孙进程终也将他的

33、所有子孙进程终止。止。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science33 2. 进程的终止过程进程的终止过程 (1) 根据被终止进程的标识符,从根据被终止进程的标识符,从PCB集合中找出该进程的集合中找出该进程的PCB,从中读出该进程的状态。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。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

34、进程,还应将其所有子孙进程予以终止,以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。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,将被终止进程所拥有的全部资源,或者归还给其父进程, 或者或者归还给系统。归还给系统。 (5) 将被终止进程将被终止进程(它的它的PCB)从所在队列从所在队列(或链表或链表)中移出,中移出,。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science342.3.4 进程的阻塞与唤醒进程的阻塞与唤醒1. 引起进程阻塞和唤醒的事件引

35、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) 新数据尚未到达 4) 无新工作可做 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science35 2. 进程阻塞过程进程阻塞过程 正在执行的进程,当发现上述某事件时,由于无法继续正在执行的进程,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执行,于是进程便通过调用阻塞原语阻塞原语block把自己阻塞。可见,把自己阻塞。可见,进程的阻塞是进程的阻塞是进程自身的一种主动行为进程自身的一种主动行为。 进入进入block过程后,由于此时该进程还处于执行

36、状态,所过程后,由于此时该进程还处于执行状态,所以应以应立即停止执行,立即停止执行,把进程控制把进程控制块中的现行状态由块中的现行状态由“执行执行”改为阻塞,将改为阻塞,将PCB插入阻塞队插入阻塞队列列。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程插入到具有相同事件的阻塞(等待等待)队列。队列。 最后,转调度程序进行重新调度,将处理机分配给另一最后,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就绪进程,并进行切换,亦即,保留被阻塞进程的处理机状态

37、态(在在PCB中中),再按新进程的,再按新进程的PCB中的处理机状态设置中的处理机状态设置CPU的的环境。环境。 第二章 进程的描述与控制 Heb Nomal University Department of Computer Science36 3. 进程唤醒过程进程唤醒过程 当被阻塞进程所期待的事件出现时,如当被阻塞进程所期待的事件出现时,如I/O完成或其完成或其所期待的数据已经到达,则由有关进程所期待的数据已经到达,则由有关进程(比如,用完并释比如,用完并释放了该放了该I/O设备的进程设备的进程)调用调用唤醒原语唤醒原语wakeup( ),将等待该,将等待该事件的进程唤醒。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,将其等待该事件的阻塞队列中移出,将其PC

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