[工学]操作系统课件-第2章-进程

1、第二章 进程管理 第一节：进程的概念前趋图：是一个有向无循环图。 前趋图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或前趋关系“”。节点图21(a) 中存在着这样的前趋关系：P1P2, P1P3, P1P4, P2P5, P3P5, P4P6, P4P7, P5P8, P6P8, P7P9, P8P9图 2-1 前趋图 或表示为： P=P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9= (P1, P2), (P1, P3), (P1, P4), (P2, P5), (P3, P5)

2、, (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2-1(b)中却有着下述的前趋关系：S2S3, S3S2 图 2-1 前趋图 1 、程序的顺序执行图 2-2 程序的顺序执行 S1: a=x+y;S2: b=a-5;S3: c=b+1;试想S1、S2、S3三条语句以何顺序执行？1 、程序的顺序执行程序顺序执行时的特征 顺序性：(2) 封闭性(运行时候独占处理机资源，运行结果不受外界影响)程序可再现性： (3) 可再现性(初始条件相同，结果相同)2、程序的并发执行及其特征 2、程序的并发

3、执行及其特征 2.1程序的并发执行 图 2-3 并发执行时的前趋图 在该例中存在下述前趋关系： IiCi，IiIi+1, CiPi, CiCi+1，PiPi+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。如何实现并发执行？对于具有下述四条语句的程序段： S1: a=x+2 S2: b=y+4 S3: c=a+b S4: d=c+b 请画出前趋关系图。2.2 程序并发执行时的特征 间断性(相互制约性)后面的模块等待前面的模块 传来的结果，然后才执行（如打印模块等待 计算模块完成）。走走停停。 失去封闭性 ：多个程序共享系统中的各种资源， 因而这些资源的

4、状态将由多个程序来改变， 致使程序的运行已失去了封闭性。 结果是一个程序运行时会受到另一个程序的 影响。 不可再现性 ：程序在并发执行时，由于失去了封 闭性，也将导致失去其可再现性下面看个小例子： 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Pr

5、int(N)和N=0之间，此时得到的N值分别为n, n+1, 0。 结论：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果已经和并发执行速度有关， 从而使程序失去了可再现性，亦即，程序经过多次执行后，虽然他们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却不相同。 顺序执行: 并发执行：程序具有封闭性 程序失去封闭性独享资源 共享资源(互为存在条件)可再现性 程序与“计算”不再一一对应有相互制约3 、进程(Process)3.1较典型的进程定义有：进程是程序的一次执行。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。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

6、单位。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。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； 3.2 进程的组成：进程的实体由： 程序段、 数据段、 进程控制块PCB组成。有人把这三部分称为”进程映像”. 通常的程序是不能并发执行的,为使程序能并发执行,应为之配置一进程控制块,即PCB; 所谓创建进程是指创建进程实体中的PCB，撤销亦如此。1)结构化特征：含代码段、数据段和核心段（在地址空间中） 2)动态性：进程的实质是进程实体的一次执行过程，动态性是进程的最基本特征。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，它是进程

7、的重要特征，也是操作系统的重要特征。4)独立性: 各进程的地址空间相互独立，除非采用进程间通信手段；5)异步性:这是指进程按各自独立的，不可预知的速度向前推进。导致程序执行的不可再现性3.3进程的特征：1)程序是静态的，进程是动态的;（是根本区别） 程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。2)进程和程序不是一一对应的 ; 一个程序可对应多个进程,即多个进程可执行同一程序 ; 一个进程可以执行一个或几个程序 3)进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态变化的过程，程序可长久保存。4)进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。5)进程具有创建其他进程的功能，而

8、程序没有。3.4进程与程序的区别 程序与进程的类比 程 序 进 程 唱歌的曲谱或音乐乐器的乐谱 演出或演奏 剧本 演出 火车 列车 1、判断题：进程是一个程序在某数据集上的一次执行，所以不同进程对应不同的程序。分析：进程是程序在某数据集上得一次执行，但是不同进程可以对应同一程序。2、程序顺序执行与并发执行有什么不同？3、用户程序必须在进程中运行。正确4、判断题：两次打开Word字处理程序，编辑同一篇文章，因为程序 一样(Word 2003)，数据一样(同一篇文章)，所以系统中运行的这两个Word字处理程序是同一个进程。错误，运行的是2个不同的进程3.5处理机调度器（dispatcher）把处理

9、机从一个进程切换到另一个进程；防止某进程独占处理机；处理机调度器（进程调度）:是操作系统中的一段代码，它完成如下功能：3.6 进程的三种基本状态 1）就绪(Ready)状态：已分配到除CPU以外的所有必要的资源，只要能再获得处理机，便可立即执行的状态。多个排成一队称为就绪队列。 2) 执行状态：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; 在多处理机系统中，则可能多个进程处于执行状态。 3) 阻塞状态 ：进程因发生某事件(如请求IO、申请缓冲空间等)而暂停执行时的状态，亦即进程的执行受到阻塞，故称这种暂停状态为阻塞状态，有时也称为“等待”状态或“睡眠”状

10、态。 通常将处于阻塞状态的进程排成一个队列，称为阻塞队列。在有的系统中，按阻塞原因的不同而将处于阻塞状态的进程排成多个队列。图 2-5 进程的三种基本状态及其转换(教材讲5种) 结束新进程接纳完成作业后备队列进程就绪队列 外存 内存 作业调度一些处理器(CPU)阻塞队列阻塞队列3.7五状态进程模型五状态进程模型(状态变迁)五状态进程模型(单队列结构)五状态进程模型(多队列结构)3.8 进程状态的转换 新(New)状态就绪状态。 (2)就绪(Ready)状态执行状态。 (3)执行状态阻塞状态。 (4)阻塞状态就绪状态。(5)执行状态就绪状态3.9挂起进程模型这个问题的出现是由于进程优先级的引入，

11、一些低优先级进程可能等待较长时间，从而被对换至外存。这样做的目的是：提高处理机效率：就绪进程表为空时，要提交新进程，以提高处理机效率；为运行进程提供足够内存：资源紧张时，暂停某些进程，如：CPU繁忙（或实时任务执行），内存紧张用于调试：在调试时，挂起被调试进程（从而对其地址空间进行读写）单挂起进程模型双挂起进程模型内存外存3.9.1 状态就绪状态(Ready)：进程在内存且可立即进入运行状态；阻塞状态(Blocked)：进程在内存并等待某事件的出现；阻塞挂起状态（Blocked, suspend）：进程在外存并等待某事件的出现；就绪挂起状态（Ready, suspend）：进程在外存，但只要进

12、入内存，即可运行；注：这里只列出了意义有变化或新的状态。3.9.2转换挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存；可能有以下几种情况：阻塞到阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪进程要求更多内存资源时，会进行这种转换，以提交新进程或运行就绪进程；就绪到就绪挂起：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程时，系统会选择挂起低优先级就绪进程；运行到就绪挂起：对抢占式分时系统，当有高优先级阻塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可能会把正运行的进程转到就绪挂起状态；激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存；可能有以下几种情况：就绪挂起到就绪：没有就绪进程或挂起就

13、绪进程优先级高于就绪进程时，会进行这种转换；阻塞挂起到阻塞：当一个进程释放足够内存时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统认为会很快出现所等待的事件）进程变成阻塞状态；事件出现（Event Occurs）：进程等待的事件出现；如：操作完成、申请成功等；可能的情况有：阻塞到就绪：针对内存进程的事件出现；阻塞挂起到就绪挂起：针对外存进程的事件出现；收容(Admit)：收容（提交）一个新进程，进入就绪状态或就绪挂起状态。1、进程由就绪态转为运行态是因为（）引起的？A、中断事件 b、进程状态转换c、进程调度的d、为程序创建进程C2、分配到必要的资源并获得处理机的进程状态是（ ）。 运行态3、当（ ），进

14、程从执行状态转变为就绪状态。 a、进程被调度程序选中 b、时间片到 c、等待某一事件 d、等待的时间发生B4、判断题：两次打开Word字处理程序，编辑同一篇文章，因为程序 一样(Word 2003)，数据一样(同一篇文章)，所以系统中运行的这两个Word字处理程序是同一个进程。3.10、进程控制块 3.10.1. 进程控制块的作用 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。简单题：进程控制块的作用（要扩展）？判断题：进程控制块是进程存在的唯一标志。进程控制块是由OS维护的用来记录进程相关信息的一块内存。正确3.10.2进程控制块的内容（数据结构很复杂）进程标识符：内部进程标识

15、符(process ID)，唯一，通常是一个整数；进程名(外部标识符)，通常基于可执行文件名（不唯一）；用户标识符(user ID)；进程组关系(process group)进程控制信息：当前状态；优先级(priority)；代码执行入口地址；程序的外存地址；运行统计信息（执行时间、页面调度）；进程间同步和通信；阻塞原因进程调度信息：进程状态、进程优先级、资源信息等处理机状态：寄存器值（通用、程序计数器PC、状态PSW，地址包括栈指针）3.10.3 PCB的组织方式链表：同一状态的进程其PCB成一链表，多个状态对应多个不同的链表各状态的进程形成不同的链表：就绪链表、阻塞链表索引表：同一状态的进

16、程归入一个index表（由index指向PCB），多个状态对应多个不同的index表各状态的进行形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索引表把具有相同状态的PCB，用其中的链接字，链接成一个队列。4、进程控制返回4.1 进程控制的功能：完成进程状态的转换。原语(primitive)：由若干条指令构成的“原子操作(atomic operation)”过程，作为一个整体而不可分割要么全都完成，要么全都不做。许多系统调用就是原语。注意：系统调用并不都是原语。进程A调用read()，因无数据而阻塞，在read()里未返回。然后进程B调用read()，此时read()被重入。系统调用不一定一次执行完并返回该

17、进程，有可能在特定的点暂停，而转入到其他进程。4.2.1 进程图(Process Graph) 图 2-9 进程树 用于描述进程家族关系的有向树。图中的结点代表进程 。父进程 ：在进程Pi创建了进程Pj后，称Pi是Pj的父进程。子进程：在进程Pi创建了进程Pj后，称Pj是Pi的子进程。4.2 进程的创建4.2.2 引起创建进程的事件 用户登录。 (2) 作业调度。 (3) 提供服务。 (4) 应用请求。 4.2.3 进程的创建(Creation of Progress)过程 (1)申请空白PCB。 (2) 为新进程分配资源。 (分配内存空间) (3) 初始化进程控制块。 (4) 将新进程插入就

18、绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程， 便将新进程插入就绪队列。 4.3 进程退出也称为“终止”或主程序返回：调用exit()可终止进程。释放资源：释放内外存空间关闭所有打开文件释放共享内存段和各种锁定lock4.4 进程的阻塞与唤醒4.4.1 引起进程阻塞和唤醒的事件请求系统服务 2) 启动某种操作 3) 新数据尚未到达 4) 无新工作可做 4.4.2. 进程阻塞过程 正在执行的进程，当发现上述某事件时，无法继续执行，于是进程调用阻塞原语block把自己阻塞。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。进入block过程后，由于此时该进程还处于执行状态，所以应先立即停止执行，把进程控制块中的

19、现行状态由“执行”改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。如果系统中设置了因不同事件而阻塞的多个阻塞队列，则应将本进程插入到具有相同事件的阻塞(等待)队列。 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。 4.4.3 进程唤醒过程 当被阻塞进程所期待的事件出现时，如I/O完成或其所期待的数据已经到达，则由有关进程(比如，用完并释放了该I/O设备的进程)调用唤醒原语wakeup( )，将等待该事件的进程唤醒。唤醒原语执行的过程是：首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，然后再将该PCB插入到就绪队列中。 4.5 进程的挂起与激活 引

20、起进程挂起的事件:4.5.1. 进程的挂起挂起原语的执行过程是：首先检查被挂起进程的状态，若处于活动就绪状态，便将其改为静止就绪；对于活动阻塞状态的进程，则将之改为静止阻塞。 最后，若被挂起的进程正在执行，则转向调度程序重新调度。-或父进程请求将自己的某个子进程挂起，-系统将利用挂起原语suspend( )将指定进程或处于阻塞状态的进程挂起。-用户进程请求将自己挂起;4.5.2. 进程的激活过程系统将利用激活原语active( )将指定进程激活。 激活原语先将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为活动就绪；若为静止阻塞便将之改为活动阻塞。例： NT线程的挂起和激活N

21、T中处理机的分配对象为线程，一个线程可被多次挂起和多次激活。在线程内有一个挂起计数（suspend count），挂起操作使该计数加1，激活操作将该计数减1；当挂起计数为0时，线程恢复执行。(1) 挂起：Windows NT中的SuspendThread可挂起指定的线程； DWORD SuspendThread( HANDLE hThread / handle to the thread ); (2) 激活：Windows NT中的ResumeThread可恢复指定线程的执行； DWORD ResumeThread( HANDLE hThread / identifies thread to

22、restart ); 例子NT_thread.cpp#include #include #include #include void SubThread(void)int i;for (i=0;i5;i+)cout SubThread i endl;Sleep(2000);void main(void) cout CreateThread endl;/ Create a thread;DWORD IDThread; HANDLE hThread;hThread = CreateThread(NULL, / no security attributes 0, / use default stac

23、k size (LPTHREAD_START_ROUTINE) SubThread, / thread function NULL, / no thread function argument 0, / use default creation flags &IDThread); / returns thread identifier / Check the return value for success. if (hThread = NULL)cout CreateThread error endl;int i;for (i=0;i5;i+)cout MainThread i endl;i

24、f (i=1) if (SuspendThread(hThread)=0 xFFFFFFFF)cout Suspend thread error. endl;elsecout Suspend thread is ok. endl;if (i=3)if (ResumeThread(hThread)=0 xFFFFFFFF)cout Resume thread error. endl;elsecout Resume thread is ok. endl;Sleep(4000);运行结果CreateThreadMainThread0SubThread0SubThread1MainThread1Sus

25、pend thread is ok.MainThread2MainThread3Resume thread is ok.SubThread2SubThread3MainThread4SubThread4例子 NT_thread.cpp#include #include #include #include void SubThread(void)int i;for (i=0;i5;i+)cout SubThread i endl;Sleep(2000);/改一下时间，输出顺序会有变化此处是用户自己的函数，完成指定功能void main(void) cout CreateThread endl;/

26、 Create a thread;DWORD IDThread; HANDLE hThread;hThread = CreateThread(NULL, / no security attributes 0, / use default stack size (LPTHREAD_START_ROUTINE) SubThread, / thread function NULL, / no thread function argument 0, / use default creation flags &IDThread); / returns thread identifier / Check

27、the return value for success. if (hThread = NULL)cout CreateThread error endl;int i;for (i=0;i5;i+)cout MainThread i endl;if (i=1) if (SuspendThread(hThread)=0 xFFFFFFFF)cout Suspend thread error. endl;elsecout Suspend thread is ok. endl;if (i=3)if (ResumeThread(hThread)=0 xFFFFFFFF)cout Resume thre

28、ad error. endl;elsecout Resume thread is ok. endl;Sleep(4000);/改一下结果会有变化。运行结果CreateThreadMainThread0/输出后。 Sleep(4000）SubThread0/输出后，Sleep(2000)SubThread1 /输出后，Sleep(2000)MainThread1/输出后。 Sleep(4000）Suspend thread is ok.MainThread2MainThread3Resume thread is ok. /输出后。 Sleep(4000）SubThread2SubThread3M

29、ainThread4SubThread4进程创建后只要通过进程调度获得cpu，就自动执行！5 线程(THREAD)返回引入线程的目的是简化进程间的通信，以小的开销来提高进程内的并发程度。5.1 线程的引入进程：资源分配单位（存储器、文件）和CPU调度（分派）单位-未引入线程时。又称为“任务(task)“ 线程：作为CPU调度单位，而引入线程后进程只作为其他资源分配单位。只拥有必不可少的资源，如：线程状态、寄存器上下文和栈同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态线程的优点：减小并发执行的时间和空间开销（线程的创建、退出和调度），因此容许在系统中建立更多的线程来提高并发程度。线程的创建时间比进程短；线

30、程的终止时间比进程短；同进程内的线程切换时间比进程短；由于同进程内线程间共享内存和文件资源，可直接进行不通过内核的通信；进程与线程的关系5.2 线程的属性 线程具有许多传统进程所具有的特征，故又称为轻型进程(1)轻型实体。（线程是进程中的一个实体 ）(2) 独立调度和分派的基本单位。在多线程OS中,线程是能独立运行的基本单位,因而也是独立调度和分派的基本单位。而把进程作为资源拥有的单位。由于线程很“轻,故线程的切换非常迅速且开销小。(3) 可并发执行。 (4) 共享进程资源。5.3 OS对线程的实现方式内核维护进程和线程的上下文信息；线程切换由内核完成；一个线程发起系统调用而阻塞，不会影响其他

31、线程的运行。时间片分配给线程，所以多线程的进程获得更多CPU时间。依赖于OS核心，由内核的内部需求进行创建和撤销，用来执行一个指定的函数。Windows NT和OS/2支持内核线程；1）内核线程(kernel-level thread)2）用户线程(user-level thread)用户线程的维护由应用进程完成；内核不了解用户线程的存在；用户线程切换不需要内核特权；用户线程调度算法可针对应用优化；不依赖于OS核心，应用进程利用线程库提供创建、同步、调度和管理线程的函数来控制用户线程。如：数据库系统informix，图形处理Aldus PageMaker。调度由应用软件内部进行，通常采用非抢先

32、式和更简单的规则，也无需用户态/核心态切换，所以速度特别快。一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待。时间片分配给进程，多线程则每个线程就慢。 例：线程执行时间 对于只设置了用户级线程的系统，调度是以进程为单位的，在采用轮转调度算法时，各个进程轮流执行一个时间片，这对诸进程而言，看似公平的，但假如在A进程中包含了一个用户级线程，而在另一个进程B中含有100个线程，这样，进程A中线程的运行时间，将是进程B中线程运行时间的100倍；相应地，速度就快100倍。 假如系统中是设置的内核支持线程，其调度是以线程为单位进行的，这样，进程B可以获得的CPU时间是进程A的100倍，进程B可使100个系统调用并发工作。5.3 Solaris操作系统中的线程同时实现了用户级线程与内核支持线程。 SUN Solaris OS在用户级线程和内核级线程之间，定义了一种轻型进程LWP(内核控制线程，也称为轻权进程)，一个进程中至少有一个LWP。Solaris支持内核线程(Kernel threads)、轻权进程(Lightweight Processes)和用户线程(User Level Threads)。一个进程可有大量用户线程；大量用户线程复用少量的轻权进程，不同的轻权进程分别对应不同的内核线程。用户级线程在使用系统调用时