进程概念2进程控制.ppt

第二章 进程管理,基本内容,（一）进程与线程进程概念进程的状态与转换进程控制进程组织进程通信：共享存储系统；消息传递系统；管道通信。线程概念与多线程模型,基本内容,（二）进程同步进程同步的基本概念实现临界区互斥的基本方法软件实现方法硬件实现方法信号量管程经典同步问题生产者-消费者问题读者-写者问题哲学家进餐问题,程序的顺序执行及特征一、程序执行有固定的时序。（图2-1）二、顺序执行的特征：顺序性、封闭性、可再现性程序顺序执行的特性，为程序员检测和校正程序的错误带来很大方便。,2.1进程的基本概念,I1,C1,P1,I2,C2,P2,前趋图,前趋图(Precedence Graph)用于描述一个程序的各部分(程序段或语句)间的依赖关系，或者是一个大的计算的各个子任务间的因果关系。前趋图是一个有向无循环图DAG(Directed Acyclic Graph)。,前趋图,表示方式：结点：表示一条语句、一个程序段或一个进程P1，p2有向边：-=(p1,p2)|p1 必须在p2开始前完成,P1为初始结点，P9为终止结点该前趋图，存在下面的前趋关系：P1P2，P1P3，P1P4，P2P5，P3P5，P4P6，P4P7，P5P8，P6P8，P7P9，P8P9,例：九个结点的前趋图,2.1.3 程序的并发执行,一、多个程序的并发执行（可能性分析）,I1,I2,I3,I4,C1,C2,C3,C4,P1,P2,P3,P4,t,程序的并发执行(2),二、特征间断性失去封闭性：主要由共享资源引起不可再现性：例子：有2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;B则每次要执行Print(N),然后再做N:=0.设N的初值为n。若程序A,B以不同的速度运行有以下三种不同的结果,程序的并发执行(3),N:=N+1在print(N)和N:=0之前，则N值分别为n+1,n+1,0.N:=N+1在print(N)和N:=0之后，则N值分别为n,0，1.N:=N+1在print(N)和N:=0之间，则N值分别为n,n+1,0.所以，在A、B程序多次执行过程中，虽然其每次执行时的环境和初始条件都相同，但每次得到的结果却不一定相同。,2.1.4 进程的特征与状态,1、进程的特征与定义2、进程的三种基本状态3、挂起状态4、创建与终止状态,1.进程的特征和定义,一、定义：进程概念，60年代初，由麻省理工学院的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统引入的。进程有很多各式各样的定义，如：一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。进程是一个程序与其数据一道通过处理机的执行所发生的活动 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位总的来说：进程是程序的一次执行过程,1.进程的特征和定义,二、特征1.结构特征为了控制和管理进程，系统为每个进程设立一个进程控制块 PCB。进程：由程序段、数据段及进程控制块三部分构成，总称“进程映像”。2.动态性由“创建”而产生，由“调度”而执行；由得不到资源而阻塞；由撤消而消亡。（而程序是静态的）。,1.进程的特征和定义,3.并发性只有建立了进程，才能并发执行。任何进程都可以同其他进程一起向前推进4.独立性。独立运行，独立获得资源。5.异步性：（间断性）由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进,2.进程的三种基本状态,不同系统设置的进程状态数目不同，但一般系统中都设有三种基本状态：就绪状态（Ready）：已分配到CPU外的所有资源，一旦得到CPU，就立即可以运行。运行状态（Running）：正在CPU上运行的进程所处的状态。等待/阻塞状态（Wait/Blocked）：若一进程正在等待某一事件发生，给它CPU，它也无法运行，称该进程处于等待（阻塞、睡眠、封锁）状态。,2.进程的三种基本状态,三种基本状态可以依据一定的条件相互转换：就绪-运行调度程序选择一个新的进程运行运行-就绪运行进程用完了时间片运行进程被中断，因为一高优先级进程处于就绪状态,2.进程的三种基本状态,运行-等待当一进程必须等待某事件时等待-就绪当所等待的事件发生时由于执行的进程变为阻塞状态后，调度程序立即把处理机分配给另一个就绪进程；因此，阻塞进程的事件消失后，进程不会立即恢复到执行状态，而转变为就绪状态，重新等待处理机。,2.进程的三种基本状态,三种基本状态转换图,就绪,阻塞,执行,时间片完,进程调度,I/O请求,I/O完成,进程的三种基本状态及其转换,3.挂起状态,被换出内存的状态挂起状态（静止状态）：静止就绪Readys、静止阻塞Blockeds 非挂起状态（活动状态）：活动就绪Readya、活动阻塞Blockeda引入原因终端用户请求父进程请求负荷调节需要操作系统需要,3.挂起状态,执行,活动就绪,静止就绪,活动阻塞,静止阻塞,激活,挂起,激活,挂起,释放/唤醒,释放/唤醒,挂起,请求I/O,具有挂起状态的进程状态图,涉及挂起状态的状态转换,活动阻塞-静止阻塞当所有进程都阻塞，OS会安排空间让某个可运行进程进入内存，需要腾出空间静止阻塞-静止就绪当等待的事件发生时(状态信息已在OS中)静止就绪-活动就绪当内存中没有就绪进程时活动就绪-静止就绪(较少见)当没有被阻塞的进程，而为了性能上的考虑，必须释放一些内存时,创建进程的步骤：创建PCB，置就绪状态并插入就绪队列已有PCB但未进入内存不能调度，此时？创建状态OS 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创建了管理进程所需的表格但还没有允许执行该进程(尚未同意)因为主存等资源有限,4.创建与终止状态,进程的终止：完成后等待OS善后处理，清空PCB并归还PCB空间。终止状态中止后进程移入该状态它不再有执行资格保留记录等供其他进程收集,4.创建与终止状态,五状态进程模型,七状态的进程状态演变图,创建,终止,进程控制块,为了描述一个进程和其它进程以及系统资源的关系，为了刻画一个进程在各个不同时期所处的状态，人们采用了一个与进程相联系的数据块，称为进程控制块PCB(process control block)）。系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知进程存在的唯一标志进程与PCB是一一对应的,进程控制块,1.进程控制块的作用是进程存在的唯一标志；PCB常驻内存2.进程控制块中的信息标识处理机状态进程调度信息进程控制信息,（1）进程标识符,进程标识符(process ID)：唯一标识一个进程两种：内部标识：操作系统设置，整数数字，进程的序号外部标识符：创建者提供，字母数字，用户标识符(user ID),（2）处理机状态,CPU现场保护信息：寄存器值通用寄存器程序计数器PC（指令计数器）程序状态字PSW用户栈指针,（3）进程控制信息,程序和数据的地址：内存、外存进程同步和通信机制：消息队列指针、信号量等资源清单：分配到的除CPU外的资源PCB链接指针：本PCB所在队列的下个PCB地址,（4）进程调度信息,进程当前状态进程优先级调度所需的其他信息：与调度算法有关等待事件（阻塞原因）,PCB例子,CPU在进程间的切换,系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，就构成了PCB表 PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度,3、PCB的组织PCB表,PCB的组织方式,两种：按链接方式组织PCB(队列)不同状态进程分别组成队列：运行队列、就绪队列、等待队列按索引方式组织PCB(表)对具有相同状态的进程，分别设置各自的PCB索引表，标明PCB在PCB表中的地址（其他方式：线性表或链表）,执行指针,就绪队列指针,阻塞队列指针,空闲队列指针,按链接方式组织PCB,按索引方式组织PCB,思考题：,在操作系统中为什么要引入进程这一概念？比较进程与程序。为什么将进程划分成执行、就绪和阻塞三个基本状态？进程的挂起状态与进程的阻塞状态和就绪状态有何异同？,*在操作系统中为什么要引入进程这一概念？,解 在单道程序设计环境下，CPU被一道程序独占，CPU严格按该程序的指令顺序来执行。单道程序具有顺序性、封闭性和可再现性。单道程序有许多局限性，于是出现了多道程序。在多道程序环境中，有若干个程序同时运行，具有了许多新的特征，如并发性、动态性以及相互制约性等。这时，程序的概念已经不能描述上述这些特征，并发程序的特征必须用新的概念来描述，于是引进了“进程”的概念。,*比较进程与程序,程序是静态的，进程是动态的;程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个静态的概念。进程是系统分配调度的独立单位，能与其他进程并发执行，更能真实地描述并发,而程序不能;进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的；程序可作为软件资源长期保存，进程只是一次执行过程，是暂时的；进程是结构化的，由程序和数据、PCB组成的一个程序可对应多个进程;进程具有创建其他进程的功能，而程序没有,*为什么将进程划分成执行、就绪和阻塞三个基本状态？,根据多道程序执行的特点，进程的运行是走走停停的。因此进程的初级状态应该是执行和等待状态。处于执行状态的进程占用处理机执行程序，处于等待状态的进程正在等待处理机或者等待其它某种事件的发生。但是，当处理机空闲时，并不是所有处于等待状态的进程都能放到处理机上执行，有的进程即使分配给它处理机，它也不能执行，因为它的执行的条件没有得到满足。因此，将等待状态的进程分成两部分，一部分是放在处理机上就能立即执行，这就是就绪的进程；另一部分是仍需等某种事件发生的进程，即使放在处理机上也不能执行的进程，这就是阻塞进程。,*进程的挂起状态与进程的阻塞状态和就绪状态有何异同？,相同点：它们都没有占用处理机。不同点：挂起状态的进程是处于一种静止状态，不会参与对资源的竞争，在解除挂起之前，进程不会有新的资源要求，也不会有占用处理机的机会；阻塞状态和就绪状态的进程均处于活动状态，它们都有获得处理机的机会，都可能有新的资源要求。,2.2 进程控制,原语进程图常用进程控制原语,1、原语,进程控制就是对系统中的所有进程实施管理，进程控制一般由原语来实现。所谓原语由若干条机器指令所构成,是一种特殊的系统功能调用，它可以完成一个特定的功能，其特点是原语执行时不可被中断。,进程图,进程图是一棵有向树(如下图)，结点代表进程。一棵树表示一个家族，根结点为该家族的祖先(Ancestor)。,典型的UNIX进程树,页后台程序,初始进程,交换进程,常用的进程控制原语,创建原语、终止原语阻塞原语、唤醒原语挂起原语、激活原语,引起创建进程的事件,用户登陆作业调度提供服务应用请求,进程创建过程,申请空白PCB为新进程分配资源，如内存初始化进程控制块PCB 将新进程插入就绪队列,创建原语 create(),功能：创建一个具有指定标识符的进程入口信息：进程标识符、优先级、进程开始地址、初始CPU状态、资源清单等。,进程终止,引起进程中止的原因正常结束异常结束（越界错、保护错、特权指令错、非法指令、运行超时、I/O故障等）外界干预（操作员干预、父进程请求、父进程终止）,进程终止过程,根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，读出进程状态若为执行态，终止执行，置调度标志真。若有子孙进程，终止他们将进程所拥有的资源交给父进程或系统进程移出所在队列，释放PCB,进程的终止原语,功能：撤消一个指定的进程入口信息：被撤消的进程名实现:收回进程所占有的资源撤消该进程的PCB,撤消原语的实现过程,进程的阻塞与唤醒,阻塞：当一个进程所期待的某一事件尚未出现时，该进程调用阻塞原语将自己阻塞。进程阻塞是进程的自身的一种主动行为。唤醒：处于阻塞状态的进程是绝不可能叫醒它自己的，它必须由它的合作进程用唤醒原语唤醒它。,进程的阻塞原语block,功能：停止调用进程的执行，变为等待。入口信息：可省 阻塞原语的实现过程：,进程的唤醒原语wakeup,功能：唤醒某一处于等待队列当中的进程。入口信息：被唤醒进程的名字引起唤醒的原因 系统服务由不满足到满足 I/O完成 新数据到达 进程提出新请求（服务）,唤醒原语的实现过程,进程的挂起,挂起原语(suspend)的功能：自身挂起挂起具有指定标识符的进程将其进程及其全部或部分“子孙”挂起。由进程自己或其父进程调用挂起原语完成，将该进程PCB移到指定区域，注意状态的改变，有可能要重新调度。,进程的激活,激活原语（active）功能：使指定的处于静止状态的进程变为活动。调入内存，改变状态，根据情况看是否调度，如抢先或非抢先）。注意：阻塞、唤醒一般由OS实现，而挂起与激活可由用户干预。,