操作系统2-1.ppt

1、第2章 进程管理,本章要点 基础：进程描述及控制 实现：互斥与同步 解决：几个经典问题 关于：进程通信 引申：进程与线程,生产者消费者问题 读者写者问题 哲学家进餐问题,2.1 进程概念,程序的顺序执行及其特征 程序的并发执行及其特征 进程的定义,程序的顺序执行,程序：源代码程序、目标程序和可执行程序 程序执行：编辑、编译、链接、执行 程序的结构：顺序结构、分支结构和循环结构,程序的顺序执行,程序顺序执行的特征： 顺序性、封闭性、可再现性 程序顺序执行流程图,数据输入,进行计算,输出结果,程序的顺序执行,顺序执行例1 输入I，计算C，打印P,程序并发执行,多道程序设计技术：多个程序并发执行 程

2、序并发执行时的特征：间断性、非封闭性、不可再现性,程序并发执行引发的问题,协调各程序的执行顺序 多个执行程序共享系统资源，程序之间可能会相互影响，甚至影响输出结果 选择哪些、多少个程序进入内存执行？ 内存中的执行程序谁先执行？ 内存如何有效分配？,2.1.2 进程的定义,定义： 可并发执行的程序，在一个数据集合上的运行过程 申请/拥有资源 程序：静态概念，是指令和数据的集合，可长期存储 进程与程序的对应关系： 一个程序可以对应一个进程或多个进程 一个进程可以对应一个程序，或者一段程序,进程的特征,动态性 并发性 独立性 异步性,引入进程带来的问题,增加了空间开销：为进程建立数据结构 额外的时间

3、开销：管理和协调、跟踪、填写和更新有关数据结构、切换进程、保护现场 更难控制： 协调多个进程竞争和共享资源如何预防 解决多个进程因为竞争资源而出现故障 处理机的竞争尤为突出,2.1.3 PCB,进程标识信息：进程的内部和外部标识符 处理机状态信息：通用寄存器值、指令计数器值、程序状态字PSW值、用户栈指针值 进程调度信息：进程状态、进程优先权、进程调度的其他信息 其它信息：程序及数据地址、进程同步和通讯机制、资源清单、链接指针,2.1.4 进程状态及其转换,为了刻画整个进程，可将一个进程的生命周期划分为一组状态： 1、进程的5种状态（三种基本状态） new新建/创建(初始态):进程正在创建中的

4、状态 ready就绪: 进程已获得了除处理机以外的所有资源，等待分配处理机执行的等待状态。 running运行/执行: 当一个进程获得必要的资源并正在处理机上执行的状态。 waiting等待/阻塞: 正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法执行下去，此时进程所处的状态。 terminated终止/撤消/退出：进程执行完毕，释放所占资源的状态。,就绪状态： 该进程运行所需的一切条件都得到满足，但因处理机资源个数少于进程个数，所以该进程不能运行，而必须等待分配处理机资源，一旦获得处理机就立即投入运行。,执行状态： 进程正在处理机上运行的状态，该进程已获得必要的资源，也获得了处理机，用户程序正在处理机

5、上运行。,阻塞状态； 进程等待某种事件完成（例如，等待输入/输出操作的完成）而暂时不能运行的状态，处于该状态的进程不能参加竞争处理机，此时，即使分配给它处理机，它也不能运行。,状态变化： 就绪状态 执行状态 执行状态 就绪状态 执行状态 阻塞状态 阻塞状态 就绪状态,系统为进程进行的操作,创建进程、撤销进程、进程切换 进程作为资源的拥有者和系统的调度对象，需要花费系统较大的额外开销。故，系统中同时存在的进程数目不宜过高，而这也就限制了并发度的进一步提高。,2.2 线程,引入线程的目的,这是为了减少程序并发执行时系统所付出的额外开销，使操作系统具有更好的并发性。,由进程到线程,目标：既能提高进程

6、并发度，又能降低系统的额外开销。 实现：将进程的资源申请和调度属性分开。即进程作为资源的申请和拥有者，但不作为调度的基本单位。这样，就产生了线程的概念。 线程是进程中的一个实体，是独立调度和分派的基本单位。 线程自身基本上不拥有系统资源，只拥有少许运行中必不可少的私有资源。线程可与同属一个进程的其它线程共享进程的全部资源。,线程与进程的区别,资源占有：进程是资源管理(资源分配)的基本单位，拥有自己的地址空间和各种资源（如内存空间、外设等）。 线程只是处理机的基本调度（执行）单位，只和其他线程一起共享进程资源，自己只有一点必不可少的资源（堆栈、寄存器等）。 系统开销：进程创建、撤消、切换都要对资

7、源分配、回收、转移等导致处理机切换时间变长，系统效率降低。 以线程为单位的处理机调度，由于不发生资源变化，处理机切换时间短，系统效率高。,线程与进程的区别,用户等待时间：多线程可以减少用户的等待时间，提高系统的响应速度。 线程状态：进程有自己的程序、数据，有内外空间交换，所以有挂起状态。 线程没有自己单独的程序、数据空间，没有内外空间交换，所以没有挂起状态（即线程是一个只与内存和寄存器有关的概念，不会因交换而进入外存）。,线程与进程的区别,调度：进程调度、同步等控制大多由OS内核完成。 线程调度、同步等控制可由OS内核完成，也可以由用户控制进行。 关系：一个进程有若干个线程（至少一个）。,进程

8、与线程 调度,传统操作系统中，进程既是拥有资源的基本单位，又是独立调度的基本单位 引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位，进程是资源拥有的基本单位，从而可以显著地提高系统的并发程度。 同一进程中的线程切换不会引起进程切换，但当一个进程中的线程切换到另一进程中的线程时，将会引起进程切换。,进程与线程 并发,进程之间可以并发执行 同属于一个进程的多个线程之间，也可并发执行 因而使操作系统具有更好的并发行，从而能更有效的使用系统资源和提高系统吞吐量。,进程与线程 并发,例如 在一个未引入线程的单处理机操作系统中，若仅设置一个文件服务进程，当它由于某种原因而被阻塞时，便没有其它的文件服务进程来

9、提供服务。 引入线程以后，可以在一个文件服务进程中设置多个服务进程，当第一个线程阻塞时，文件服务进程中的第二个线程可以继续运行；当第二个线程阻塞时，第三个线程可以继续执行，从而显著地提高了文件服务的质量和系统吞吐量。,进程与线程 拥有资源,进程是拥有资源的独立单位，它有权申请系统的各类资源。 线程除了拥有很少的私有资源以外，不能申请系统资源，可以共享其所属进程的资源。即，进程的代码段、数据段以及系统资源，如已打开的文件、I/O设备等，都可被其内的所有线程共享。,进程与线程 系统开销,操作系统管理进程的开销显著地大于管理线程所需的开销。 进程切换的开销也远大于线程切换的开销。 由于同一进程中的多

10、个线程具有相同的地址空间，使它们之间的同步和通信也比较容易。 有些类型的线程切换、同步和通信都无需操作系统内核的干预。,进程与线程,传统操作系统中，一个进程可以创建一个线程，如MS DOS就是单用户、单进程、单线程的操作系统，UNIX是一个多用户、多进程、单线程的操作系统 现代操作系统和软件设计大多支持多线程运行。例如，Java虚拟机是一个单进程、多线程的运行环境，Windows系列操作系统和Linux操作系统都采用了多进程、多线程技术。,线程的类型,用户级线程和内核级线程 用户级线程不依赖于内核 内核级依赖内核，其创建、撤销和切换都由内核实现，在内核中为其保留一张线程控制块。,线程的状态,进

11、程中的所有线程共享该进程的状态 线程具有三个基本状态：就绪、执行和阻塞 一般不具有挂起状态，因为线程共享进程的资源，包括存储空间，如果挂起一个进程，其所属的全部进程必将被挂起。而单独挂起挂起某进程中的一个线程，必然会影响同一进程中的其它线程的执行，这是没有任何意义的。,对线程的操作,一个进程可以创建和撤销一个或多个线程，同一进程中的多个线程可以并发执行。 对线程的操作包括： 1、派生（Spawn），当系统创建一个进程时，同时也该进程派生一个线程，同一进程中的线程可以再派生其它线程。 2、阻塞（Block），当线程需要等待某事件时，它将被阻塞，释放处理机执行其它线程。,对线程的操作,3、解除阻塞

12、（Unblock），当线程的阻塞事件发生，其状态转换为就绪，并插入到就绪队列，等待调度执行。 4、结束（Finish），当线程执行完毕，释放其私有资源。 注意，线程阻塞不一定会引起整个进程的阻塞，否则，引入线程带来的并发性就不会提高。,线程的适用范围,1.多任务需要的多处理机系统：减少处理机切换时间，线程的创建和撤消比进程的创建和撤消开销要小。 2.单处理机系统：将用户程序按功能分小，也可以使用线程简化程序结构和提高执行效率。,2.3 进程管理,进程控制原语： 1.创建与撤销 2.阻塞与唤醒,进程创建：原因,提交新的批处理作业 交互式用户注册 操作系统提供服务 父进程创建子进程,进程创建：步骤

13、,1.为进程分配一个唯一标识号ID：主进程表中增加一个新的表项 2.为进程分配空间：用户地址空间、用户栈空间、PCB空间。若共享已有空间，则应建立相应的链接 3.初始化PCB：进程标识、处理机状态信息、进程状态 3.建立链接：若调度队列是链表，则将新进程插入到就绪或就绪/挂起链表 5.建立或扩展其他数据结构,进程终止：原因,批处理作业执行到“结束”语句 交互式用户“注销” 停止进程（应用程序）的执行 遇到错误或故障,进程终止：具体原因,正常结束 超时终止，执行时间超过预计时间 内存不足，无法为进程分配所需的内存空间 越界访问 企图使用未允许用的数据，或操作方式错 计算错，如除零，或企图存储硬件允许的最大数 超时等待某事件发生,进程终止：具体原因,I/O失败，如找不到文件或多次重试仍无法读写文件，或无效操作 无效指令，企图执行不存在的指令 特权指令，企图执行特权指令 数据类型不符，或未初始化 操作员或OS干预，如发生死锁的时候 父进程终止 父进程请求,进程终止：步骤,1.根据被终止进程的标识符ID，找到其PCB，读出该进程的状态 2.若该进程未执行状态，则终止其执行，调度新进程执行 3.若该进程有子孙进程，则立即终止其所有子孙进程 3.将该进程的全部资源，或归还给其父进程，或归还给系统 5.将被终止进程（的PCB）从所在队列中衣橱，