操作系统原理 第2章 处理器管理.ppt

1、操作系统原理教程，第2章处理器管理，本章的教学目标，了解线程的基本概念，熟悉进程描述，进程通信和死锁，掌握进程控制，进程同步和互斥，进程调度，本章的主要内容，处理器管理概述，进程控制线程的基本概念，进程同步和互斥进程通信，进程调度死锁，处理器管理概述，处理器管理的功能程序的执行，以及处理器管理的功能。处理器管理的主要任务是分配处理器并运行它们。处理器管理的主要功能是过程控制、过程同步、过程通信、过程调度、程序执行、描述程序顺序执行的程序执行、前向图、概念：前向图是有向无环图。要求每个节点都可以用来表示节点之间的有向边，如语句和程序段，表示两个节点之间的正向关系。例如，如图2-1所示，程序按顺序

2、执行。概念：当一个程序被执行时，操作必须按照一定的顺序一个接一个地执行，后一个操作只能在当前操作被执行后才能执行。特点：顺序关闭，再现性，程序的并发执行，概念：在一段时间内执行多个程序。特点：不连续性、丧失封闭性、不可复制性、程序并发执行的判断方法：伯恩斯坦条件采用前向图，伯恩斯坦条件，原理：当读集和写集的交集与不同操作(或程序)的写集的交集的并集为空时，这些操作(或程序)可以并发执行。说明：操作的读集合是指在操作执行过程中引用的所有变量的集合；操作的writeset指的是在操作执行期间要更改的所有变量的集合。示例：在示例2-2中，使用先行图，原理是绘制程序执行的先行图，根据先行图中程序或操作

3、的位置关系，可以判断其是否可以并发执行。说明：在程序或操作序列中，只有相邻的程序或操作不能同时执行，其他程序和操作可以同时执行。示例：示例2-3，流程描述，流程概念，流程状态，流程暂停状态，流程概念，流程定义，程序在数据集上运行的流程。因此，在不同的数据集上运行一个程序，甚至在同一数据集上多次运行一个程序，都是一个不同的过程。流程的特征：动态、并发、独立、异步、结构、流程状态、三种基本状态、其他两种状态之间的转换、三种基本状态和就绪状态。当一个进程被分配给除了中央处理器以外的所有必要资源时，只要它再次得到处理器，就可以立即执行。此时，进程状态称为就绪状态。一旦处于就绪状态的进程获得了处理器，它

4、就可以运行，并且进程状态处于执行状态。由于某些事件(如请求输入/输出、申请额外空间等)，处于阻塞状态的运行进程被挂起。)，这称为阻塞状态或等待状态。一个过程的另外两种状态。当一个新的进程刚刚建立并且还没有被放入就绪队列时，新的状态被称为新状态。终止状态当进程正常或异常结束时，操作系统已将其从系统队列中删除，但尚未撤消。这称为终止状态。，进程状态转换，新状态就绪状态就绪状态执行状态阻塞状态执行状态阻塞状态就绪状态执行状态终止状态如图2-5所示，进程暂停状态，暂停状态介绍主要原因：用户需求，父进程需求，操作系统交换需求，引入暂停状态后的进程状态转换执行状态静态就绪活动就绪静态就绪活动就绪活动阻塞静

5、态阻塞活动阻塞静态阻塞静态就绪，进程控制， 过程控制块印刷电路板过程创建和取消过程阻止和唤醒，过程控制块印刷电路板，过程控制块功能，过程控制块内容，过程控制块组织过程控制原语，过程控制块的功能，它是过程实体的重要部分和操作系统中最重要的记录数据，记录操作系统描述过程所需的所有信息，并在过程控制块印刷电路板中控制过程的运行， 这使得不能独立运行的程序(数据)成为可以独立运行的基本单元和可以并发执行的进程。 过程控制块是过程存在的唯一标志。过程控制块的内容，过程标识信息过程标识符用来标识一个过程，而一个过程有两种描述信息：外部标识符和内部标识符。描述信息是与过程调度相关的一些信息，例如过程状态。字

6、段信息字段信息用于保存处理器中存储的各种信息，主要由处理器中每个寄存器的内容组成。管理信息管理信息包括流程资源、控制机制和流程执行所需的其他信息。过程控制块组织模式、链接模式，将具有相同状态的印刷电路板链接到具有链接指针的队列中。如图2-7所示。索引系统根据所有进程的状态建立几个索引表。在每个索引表的条目中，记录表中具有相同状态的每个印刷电路板的地址。如图2-8所示。原语的概念原语是指具有特定功能的不间断过程。它主要用于实现操作系统的一些特殊控制操作。图元分类创建图元：用于为流程分配工作空间和构建印刷电路板，并将流程设置为就绪状态。撤消原语：用于在工作完成后检索流程的工作空间和印刷电路板。阻塞

7、原语：用于在运行过程中发生等待事件时，将进程状态变为等待状态。唤醒原语：用于在进程等待的事件结束时，将进程状态更改为就绪状态。进程创建、导致进程创建的事件用户登录作业调度提供服务应用程序请求进程创建过程为新进程分配唯一的进程标识符，并从进程队列中申请空闲进程。为新进程和用户堆栈的程序和数据分配相应的主内存空间和其他必要资源。初始化印刷电路板中相应的信息，如识别信息、处理器信息、过程控制信息等。如果就绪队列可以容纳新进程，请将新进程添加到就绪队列中。导致流程被撤销的事件通常会结束。在进程运行期间，由于一些错误和故障，进程被迫停止。在外部世界的请求下，进程撤销过程停止运行。根据终止过程的标识符，从

8、印刷电路板集中检索过程的印刷电路板，并读出过程状态。如果进程处于执行状态，立即终止进程的执行。如果此进程中有后代进程，则应该终止该后代进程。回收该进程占用的资源，并将其返回到其父进程或操作系统。从队列中移除已终止流程的印刷电路板，并取消该流程的印刷电路板。进程阻塞，导致进程阻塞的事件请求系统服务开始一个操作。新的数据还没有到来。如果没有新的工作要做，进程阻塞将立即停止执行该进程。修改过程控制块中的相关信息。将流程控制块中的运行状态从“执行”状态改为“阻塞”状态，并填写流程的等待原因和各种状态信息。将过程控制块插入阻塞队列。根据阻塞队列的组织，阻塞进程的进程控制块被插入到阻塞队列中。由调度程序重

9、新调度，并运行就绪队列中的其他进程。导致进程唤醒的事件请求满足系统服务，开始一些操作，完成新数据，并到达有新工作要做的进程。从阻塞队列中查找进程。修改过程控制块的相关内容。将阻塞状态更改为就绪状态，删除等待原因，等等。将过程控制块插入就绪队列。根据就绪队列的组织模式，将被唤醒进程的进程控制块插入就绪队列。线程1的基本概念。线程的概念线程是进程中的一个实体，是由系统独立调度和执行的一个基本单元。线程和进程的比较不同的调度单元和不同的并发形式有不同的资源。线程的基本概念2。线程的类型系统级线程依赖于系统控制，即用户进程或系统进程中线程的创建、撤销和切换都是通过系统控制来实现的。用户级线程：它们由用

10、户控制。用户级线程的创建、取消和切换与系统控制无关，而是完全由用户自己管理。超线程，超线程概念超线程技术是利用特殊的硬件指令将两个逻辑处理单元放在一个物理处理器中，从而模拟两个工作环境，使单个处理器可以使用线程级并行计算，同时处理多个任务，提高处理器资源的利用率。超线程处理器的操作被视为两个独立的逻辑处理器，应用程序无需修改即可使用。每个逻辑处理器可以独立响应中断。第一逻辑处理器可以跟踪一个软件线程，而第二逻辑处理器可以同时跟踪另一个软件线程。因为两个线程共享相同的执行资源，所以不会发生一个线程正在执行而另一个线程空闲的情况。进程同步和互斥，进程并发进程同步和互斥使用PV操作实现互斥和同步管理

11、的基本概念，进程并发，概念在并发执行系统中，可以同时执行多个作业，每个作业需要由多个进程完成。这些并发进程之间存在着并发性，并发进程之间的关系是不相关的：这些进程之间没有任何关系，也不会相互影响；这些进程往往相互关联、相互影响，因此有必要进行合理的控制和协调，以正确实现资源共享关系、相互协作关系、进程同步与互斥、进程同步与互斥，进程同步机制的概念应遵循使用锁机制实现同步的原则。进程同步和互斥的概念，系统中有许多硬件或软件资源，在一段时间内只允许一个进程访问或使用它，这称为关键资源。访问关键区域中每个进程的关键资源的代码称为关键区域进程同步。流程同步是指多个相关流程在执行顺序上的协调。这些过程相

12、互协作，需要相互等待或在某些关键点相互沟通。进程互斥进程互斥意味着当一个进程进入关键区域使用关键资源时，另一个进程必须等待，当占用关键资源的进程退出关键区域时，允许另一个进程使用关键资源。进程同步机制应该遵循的原则。当空闲让位于忙碌时，它会等待有限的等待，然后让位于等待。同步是通过锁机制实现的。锁的概念在同步机制中，一个变量经常被用来表示关键资源的状态，这就是所谓的锁。通常，“0”表示资源可用，“1”表示资源已被占用。锁定操作与锁定操作和解锁操作相关，光伏操作用于实现互斥和同步。整数信号量的概念用来表示系统中资源的使用情况。整数信号量是一个整数变量。注意：当其值大于“0”时，表示系统中相应的可

13、用资源数量；当其值小于“0”时，其绝对值表示被这种资源阻塞的进程数；当其值等于“0”时，表示系统中所有对应的资源都已被占用，没有进程被这种资源阻塞。信号量操作，(1)P操作：记为P(S)，描述为：P(S)S=S-1；如果(S0)W(S)；(2)电压操作：记录为电压(秒)，描述为：电压(秒)秒=秒1；如果(S=0)R(S)；通过光伏运行实现互斥。概念：互斥信号量是根据关键资源的类型设置的。有几种类型的关键资源，所以设置了几种互斥信号量。它表示这类关键资源的数量，或者它是否可用，其初始值一般为“1”。例例2-4在只允许单向通行的十字路口，有几辆车从东到西，从南到北等着通过十字路口。为了安全起见，一

14、次只允许一辆车通过。当有车辆经过时，其他车辆必须等待，当交叉口没有车辆行驶时，允许一辆车辆通过。请使用光伏操作实现自动管理系统，确保路口安全行驶。圆桌周围有四个哲学家在思考和吃饭，当他们需要吃饭的时候，他们需要一把刀叉，餐桌上的排列如图2-12所示。有两把刀和两把叉子，每把刀或叉子都被两个相邻的人使用。请解释一下四个哲学家用信号量和PV操作的同步过程。例2-6南开大学和天津大学之间有一条蜿蜒的小路，从s到t一次只允许一辆自行车通过，但有一个小安全岛m(允许两辆自行车同时停留)，当两辆自行车出现故障时可以使用，如图2-14所示。尝试设计一个算法，让自行车顺利通过。同步通过光伏操作实现，概念同步信

15、号量根据进程数设置。通常，几个进程设置几个同步信号量来指示该进程是否可以执行或者该进程是否完成。其初始值通常为“0”。示例示例2-7图2-16显示了协作完成任务的四个进程的前向趋势图，试图解释这四个进程之间的同步关系，并用PV操作描述它们。方法1:同步信号量用于指示进程是否可以启动。方法2:同步信号量用于指示进程是否已经结束。桌子上有一个空盘子，只允许吃一种水果。爸爸可以在盘子里放苹果或橘子，而他的儿子在等橘子，他的女儿在等盘子里的苹果。根据规定，当盘子是空的，一次只能放一个水果。请使用PV操作来同步父亲、儿子和女儿的三个并发进程。示例2-9有三个进程PA、PB和PC协同工作来解决记录打印问题

16、：PA将记录从磁盘读取到主存储器的缓冲区1中，并且每次执行时读取一条记录；PB将缓冲区1的记录复制到缓冲区2，每次复制一条记录；电脑打印缓冲区2的记录，每次打印一条记录；缓冲区的大小等于一条记录的大小。请使用PV操作来确保记录的正确打印。利用光伏运行实现过程同步和互斥。概念示例示例2-10数据库有一个写过程和多个读过程。其中读写操作的互斥要求是：当写进程运行时，其他读写进程不能对数据库进行操作，读进程不是互斥的，可以同时读取数据库。请用信号量和PV操作来描述这组进程的工作过程。示例2-11有一个包含N个信息元素的环形缓冲区，A进程按顺序将信息写入缓冲区，B进程按顺序从缓冲区读取信息，PV操作表

17、示A进程和B进程的同步算法。实施例2-12理发师的美发。有一个理发店，一把理发店椅和n把椅子等着理发店的顾客。如果没有顾客，理发师睡在理发店的椅子上；当顾客到达时，他必须叫醒理发师并理发。如果理发师正在理发，顾客来了，如果有空椅子可以坐，他会坐下来等；如果没有空椅子，他就会离开。请为理发师和顾客编写一个程序来表达他们的行为。同步和互斥，区分哪些是互斥问题(对关键资源的互斥访问)，哪些是同步问题(要求前后执行顺序)。应该为互斥问题设置互斥信号量。不管有多少种进程具有互斥关系，通常只设置一个互斥信号量，初始值为1，这意味着一次只允许一个进程访问关键资源。为了设置同步问题的同步信号量，同步信号量的数量通常与同步中涉及的进程类型有关，也就是说，如果同步关系涉及几种类型的进程，将会有几