操作系统原理与实例分析Word格式文档下载.docx
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程序并发执行引发的问题
协调各程序的执行顺序
例如，当输入的数据还未全部输入内存时，计算必须等待
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，谁后执行？
内存如何有效分配？
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进程的概念
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∽调度（线程）
静态概念，是指令和数据的集合，可长期存储
进程与程序对应关系：
-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
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进程的特征
动态性
并发性
独立性
异步性
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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
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进程的结构
组成（进程映像）:
程序、数据集合、进程控制块PCB（ProcessControlBlock）
PCB是进程存在的唯一标志。
创建进程时，创建PCB；
进程结束时，系统将撤消其PCB。
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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、进程调度的其它信息
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
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PCB的组织方式之一
--单一队列
所有进程的PCB通过链表组织成为一个单一队列。
适用于进程数目不多的系统。
如，Windows操作系统。
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PCB的组织方式之二
--表格结构
PCB按进程状态不同，组织成不同的表格：
就绪进程表、执行进程表（多机系统中）及阻塞进程表
系统分别记载各PCB表的起始地址
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PCB的表格结构
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PCB的组织方式之三
--多级队列
PCB按进程状态不同用链接指针组成不同队列：
就绪进程队列、阻塞进程队列（可按阻塞原因不同，分别组织）
系统分别记载各PCB链表的起始地址
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PCB多级队列
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2.2进程的状态
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进程执行轨迹
进程的轨迹：
进程执行的指令序列，用以观察处理机的执行过程。
例，假设内存中有3个进程A、B、C，他们的程序代码已全部装入内存。
若A、B两进程需要执行12条指令，C进程需要执行4条指令，且C进程执行到第4条指令处必须等待I/O
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假设分派程序分派处理机需要依次执行指令序列：
s+0,s+1,…,s+5
进程A的执行轨迹为a+0,a+1,a+2,a+3,…
进程B的执行轨迹为b+0,b+1,b+2,b+3,…
进程C的执行轨迹为c+0,c+1,c+2,c+3,当它执行到c+3指令时遇到了I/O指令，需要释放处理机，进行输入/输出操作
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29s+0
30s+1
31s+2
32s+3
33s+4
34s+5
1a+0
2a+1
a+2
a+3
a+4
a+5
35a+6
36a+7
37a+8
38a+9
39a+10
40a+11
7s+0
8s+1
9s+2
10s+3
11s+4
12s+5
13b+0
14b+1
15b+2
16b+3
17b+4
18b+5
25c+0
26c+1
27c+2
28c+3
41s+0
s+1
s+2
s+3
s+4
s+5
19s+0
20s+1
21s+2
22s+3
23s+4
24s+5
7b+6
48b+7
49b+8
50b+9
51b+10
52b+11
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两状态进程模型
两状态：
执行、未执行
-进程获得处理机，进入执行状态;
当时间片结束或其它某种原因，进程释放处理机，暂停执行，处于未执行状态。
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两状态进程模型：
队列形式
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注：
并非所有进程只要“未执行”就处于就绪（ready），有的需要阻塞（blocked）等待I/O完成
“未执行”又可分为就绪和阻塞
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进程的五状态
执行状态（Running）
就绪状态（Ready）
阻塞状态（Blocked）
新状态（New）
终止状态（Terminated）
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1.新状态：
进程已经创建，但未被OS接纳为可执行进程
2.就绪状态：
准备执行
3.执行状态：
占用处理机（单处理机环境中，某一时刻仅一个进程占用处理机）
4.阻塞状态：
等待某事件发生才能执行，如等待I/O完成等
5.终止状态：
因停止或取消，被OS从执行状态释放
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28
①空新状态新创建的进程首先处于新状态。
②新状态就绪状态当系统允许增加就绪进程时，操作系统接纳新建状态进程，将它变为就绪状态，插入就绪队列中。
③就绪状态执行状态当处理机空闲时，将从就绪队列中选择一个进程执行，该选择过程称为进程调度，或将处理机分派给一个进程，该进程状态从就绪转变为执行。
④执行状态终止状态执行状态的进程执行完毕，或出现诸如访问地址越界、非法指令等错误，而被异常结束，则进程从执行状态转换为终止状态。
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⑤执行状态就绪状态分时系统中，时间片用完，或优先级高的进程到来，将中断较低优先级进程的执行。
进程从执行状态转变为就绪状态，等待下一次调度。
⑥执行状态阻塞状态执行进程需要等待某事件发生。
通常，会因为进程需要的系统调用不能立即完成，如读文件、共享虚拟内存、等待I/O操作、等待另一进程与之通信等事件而阻塞。
⑦阻塞状态就绪状态当阻塞进程等待的事件发生，就转换为就绪状态。
进入就绪队列排队，等待被调度执行。
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注：
某些系统允许父进程在任何情况下终止其子进程。
如果一个父进程被终止，其子孙进程都必须终止。
-新状态终止
-就绪状态终止
-阻塞状态终止
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问题：
多个进程竞争内存资源
内存资源紧张
无就绪进程，处理机空闲：
I/O的速度比处理机的速度慢得多，可能出现全部进程阻塞等待I/O
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解决方法
采用交换技术：
换出一部分进程到外存，以腾出内存空间
采用虚拟存储技术：
每个进程只能装入一部分程序和数据（存储管理部分）
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对换技术,交换技术
（Swapping）
将内存中暂时不能运行的进程，或暂时不用的数据和程序，换出到外存，以腾出足够的内存空间，把已具备运行条件的进程，或进程所需要的数据和程序，换入内存。
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进程的挂起状态
进程被交换到外存，状态变为挂起状态
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进程挂起的原因
进程全部阻塞，处理机空闲。
系统负荷过重，内存空间紧张。
操作系统的需要。
操作系统可能需要挂起后台进程或一些服务进程，或者某些可能导致系统故障的进程。
终端用户的请求。
父进程的需求。
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被挂起进程的特征
不能立即执行
可能是等待某事件发生，若是，则阻塞条件独立于挂起条件，即使阻塞事件发生，该进程也不能执行
使之挂起的进程为：
自身、其父进程、OS
只有挂起它的进程才能使之由挂起状态转换为其他状态
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挂起与阻塞
问题
是否只能挂起阻塞进程？
如何激活一个挂起进程？
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区分两个概念：
?
进程是否等待事件，阻塞与否
进程是否被换出内存，挂起与否
４种状态组合：
就绪：
进程在内存，准备执行
阻塞：
进程在内存，等待事件
就绪/挂起：
进程在外存，只要调入内存即可执行
阻塞/挂起：
进程在外存，等待事件
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注:
处理机可调度执行的进程有两种：
新创建的进程
或换入一个以前挂起的进程
通常为避免增加系统负载，系统会换入一个以前挂起的进程执行。
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挂起
接纳
激活
就绪/挂起
图2.12具有挂起状态的进程模型
时间片完
新建
就绪
执行
阻塞
终止
分派/调度
事件发生
事件等待
完成
阻塞/挂起
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具有挂起状态的进程状态转换
阻塞 阻塞/挂起：
OS通常将阻塞进程换出，以腾出内存空间
阻塞/挂起就绪/挂起:
当阻塞/挂起进程等待的事件发生时，可以将其转换为就绪/挂起
就绪/挂起 就绪：
OS需要调入一个进程执行
就绪就绪/挂起：
一般，OS挂起阻塞进程。
但有时也会挂起就绪进程，释放足够的内存空间
新 就绪/挂起（新 就绪）：
新进程创建后，可以插入到就绪队列或就绪，挂起队列。
若无足够的内存分配给新进程，则需要新就绪/挂起
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具有挂起状态的进程状态转换（续）
阻塞/挂起阻塞：
当阻塞/挂起队列中有一个进程的阻塞事件可能会很快发生，则可将一个阻塞/挂起进程换入内存，变为阻塞
执行就绪/挂起：
当执行进程的时间片用完时，会转换为就绪。
或，一个高优先级的阻塞/挂起进程正好变为非阻塞状态，OS可以将执行进程转换为就绪/挂起状态
所有状态终止：
通常，执行终止。
但某些OS中，父进程可以终止其子进程，使任何状态的进程都可转换为退出状态
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2.3进程的控制
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两种执行模式
系统模式（又称为系统态）、控制模式或内核模式：
-具有较高的特权
-运行系统特定的指令,包括读/写控制寄存器的指令、基本I/O指令以及与存储器管理有关的指令，及一些特定的内存区
-内核模式下的处理机及其指令、寄存器和内存都受到完全控制和保护
用户模式（或用户态）
-具有较低的特权
-用户程序一般运行在用户模式
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模式切换
用户模式系统模式：
用户程序执行到一条系统调用，进入操作系统内核执行
系统模式用户模式：
执行完系统调用的功能，返回到用户程序
特殊情况：
程序执行到结束语句时，切换到系统模式，不再返回到用户程序
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操作系统内核（Kernel）
操作系统的核心，是基于硬件的第一层软件扩充，提供操作系统最基本的功能，是操作系统工作的基础。
现代操作系统设计中，为减少系统本身的开销，往往将一些与硬件紧密相关的（如中断处理程序、设备驱动程序等）、基本的、公共的、运行频率较高的模块（如时钟管理、进程调度等）以及关键性数据结构独立开来，使之常驻内存，并对它们进行特殊保护。
通常把这一部分称为操作系统的内核。
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用户通过系统调用访问操作系统的功能，这些功能最终都通过操作系统内核实现。
不同的操作系统对内核的定义和功能范围的设定是不同的。
一般地，操作系统内核的功能可以概括地划分为资源管理功能和支撑功能。
-资源管理：
进程管理、存储管理和I/O设备管理
-支撑功能：
中断处理、统计、监测、时钟管理、原语操作等。
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资源管理功能
进程管理：
进程创建和终止、调度、状态转换、同步和通信、管理PCB
存储管理：
为进程分配
升级会员 