第二章进程管理1.docx

资源描述

第二章进程管理1.docx

《第二章进程管理1.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章进程管理1.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第二章进程管理1.docx

第二章进程管理1

第二章进程管理与通信

2.1程序的顺序执行和并发执行

一、前趋图

无循环有向图，用来表示各程序段语句或进程之间的执行顺序

S1：

=x+y前趋图

S2：

=a-5

S3：

c=b+1

P35图2-1

②

⑤

①③⑦

⑥

④

改错。

补充P35图21（b）

——不是前趋图（此处有循环）

注:

前趋图不是程序流程图

二、程序的顺序执行

机器执行的顺序严格按照程序所规定的顺序执行

例.输入（I）、计算（C）、打印（P）顺序运行:

特征：

·顺序性

·封闭性

·可再现性

三、程序的并发执行

1、什么叫并发执行

并发（concurrence）：

指两个或多个事件在同一段时间发生。

并行（Parallel）:

指两个或多个事件在同一时刻发生

例1．S1：

a：

=x+2

S2：

b：

=y+4

S3：

c：

=a+b

S4：

d：

=c+6

S1,S2可以并发执行

例2．读、计算、打印并发运行

并发环境下运行程序的优点

·充分利用资源，提高运行效率

·计算和传输可以并行

·传输和控制并行

2、并发运行实例

例1．同时运行文字处理程序、图像处理程序、表格程序

例2．客户/服务器计算模式中的多任务：

同时传送多条信息

3、并发执行的过程

例。

程序A，B，C共驻内存用户区中,

内存

程序计数器

20K

50K（）90k（）190K（）

+6+6

35K

分派程序

50K（）

80K

进程A

90K（）

进程B

190K（）

190K

进程C

α+0

α+1

α+2

α+3

α+4

α+5

α+6

α+7

α+8

α+9

α+10

α+11

（a）进程A的轨迹。

β+0

β+1

β+2

β+3

（b）进程B的轨迹

γ+0

γ+1

γ+2

γ+3

γ+4

γ+5

γ+6

γ+7

γ+8

γ+9

γ+10

γ+11

（c）进程C的轨迹。

α=进程A的起始地址β=进程B的起始地址γ=进程C的起始地址

CPU每执行6条指令产生一个时间中断,转到另一个程序执行,这样轮流执行程序A，B，C,由操作系统中处理器分配程序（分派程序）负责CPU的切换

进程混合执行过程:

图中，δ+0，δ+1，δ+2，δ+3，δ+4，δ+5指令为分派程序（操作系统中处理器分配程序），用来完成处理器切换工作。

程序A

1α+0

2α+1

3α+2

4α+3

5α+4

6α+5

---------超时

分派程序

17δ+0

18δ+1

19δ+2

20δ+3

21δ+4

22δ+5

分派程序

41δ+0

42δ+1

43δ+2

44δ+3

45δ+4

46δ+5

分派程序

7δ+0

8δ+1

9δ+2

10δ+3

11δ+4

12δ+5

程序C

23γ+0

24γ+1

25γ+2

26γ+3

27γ+4

28γ+5

----------超时

程序C

47γ+6

48γ+7

49γ+8

50γ+9

51γ+10

52γ+11

---------超时

程序B

13β+0

14β+1

15β+2

16β+3

------I/O请求

分派程序

29δ+0

30δ+1

31δ+2

32δ+3

33δ+4

34δ+5

程序A

35α+6

36α+7

37α+8

38α+9

39α+10

40α+11

----------超时

可以看出,CPU交替运行程序A，B，C和操作系统中的分派程序

4、并发执行的特性（P37）

·间断性：

并发程序运行通常“走走停停”

·失去封闭性：

并发程序共享资源，资源状态受其它程序影响

·不可再现性：

条件相同，结果可能不同

例3．反映“不可再现性”示例

用Parbegin和Parend把并发程序“括”起来

VarN:

Integer

BeginN:

=0;

Parbegin

ProgramA:

ProgramB:

BeginBegin

repeatrepeat

┆┆

a1:

=N+1;b1：

Print（N）

┆b2：

=0；

untilfalse┆

Enduntilfalse

End

Parend

End

此处可并发执行的程序A,程序B在单CPU上运行,可能被轮流执行，

极端情况下，可能使结果难以预测。

设N的初值为n，A，B运行切换顺序如下：

①a1b1b2:

N=n+1,打印:

n+1，N=0

②b1b2a1:

打印n，N=0，N=1

③b1a1b2:

打印n，N=n+1,N=0

2.2进程的描述

一、进程的引入

向题：

并发执行的程序如何被处理机“交替”运行，

每次被切换后程序如何才能继续运行？

什么时候会切换到另一个程序运行？

为此:

OS必须跟踪（记录）每个程序的运行情况，如为每个运行的程序保存一些数据：

切换时的程序计数器、寄存器、变量当前值等。

引入进程概念,OS控制进程（运行的程序）执行

最简单的运行的程序（进程）模型由两种状态构成：

运行、非运行。

分派

运行

非运行

进入退出

暂停

（a）状态转换图

退出

分派

处理器

进程队列

进入

暂停

（b）进程队列图

二、进程的定义

1．进程（Process）：

是一个具有独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。

2．进程与程序的区别与联系

·进程是动态的，程序是静态。

·进程是暂时的，程序是永久的。

·进程的组成包括程序、数据和进程状态信息。

·进程与程序的密切关系：

·一个程序可以对应多个进程，如一个编辑程序可以对应多个进程同时运行。

·一个进程可以包括多个程序，进程可以创建其它进程（父子进程）。

3．进程的特征

·动态性：

进程的状态在生命周期中改变

由创建而产生；由调度而执行；因得不到资源而暂停执行；由撤消而消亡。

·并发性：

多个进程同时运行

·独立性：

各进程互相独立运行，不能互相影响。

·异步性:

各进程各自独立的,以不可知的速度向前推进,“异步”指各进程执行速度可以互相没有关系

·结构特征：

进程地址空间的结构划分：

代码段、数据段、进程控制块,这三部分称进程映像

三、OS管理与并发相关的问题

1．OS必须能跟踪大量活跃的进程——进程控制块

2．OS必须为每个活跃的进程分配资源。

包括处理机时间、内存空间、I/O设备、文件等。

进程是分配资源的单位。

3．OS必须保护每个进程的数据和物理资源不被其它进程侵犯。

4．进程执行的结果与其他并发进程执行的相对速度无关。

四、进程的基本状态和状态转换

1．五种基本状态模型（P41）一个进程在某一时刻只能处在一种状态。

·执行态：

进程正在处理机上运行（进程已获得CPU）―――单CPU只有一个进程处在执行态。

·就绪态：

进程已获得除CPU外的所有其他必要的资源―――可以有多个进程处在就绪态

·阻塞态（睡眠态,等待态）：

进程由于等待I/O操作或其他条件发生而暂停执行的状态―――可以有多个进程处在阻塞态。

·创建态：

进程刚创建，尚未进入就绪队列中。

·终止态：

进程已正常或异常结束，但尚未撤消。

2．状态转换

·执行→就绪：

中断（时钟），高优先权抡占，进程被动放弃。

·执行→阻塞：

I/O请求或等待事件，进程主动放弃。

·就绪→执行：

调度程序选择。

·阻塞→就绪：

I/O完成或事件发生、被唤醒。

结束

新进程

时钟中断

接纳完成

执行

就绪

进程调度

I/O完成或事件发生I/O请求或等待某事件

阻塞

图2-5进程的五种基本状态

3．具有挂起状态的进程转换图―――“挂起”表示让进程暂时静止

执行

请求I/O

挂起

激活（解挂）

活动

就绪

静止

就绪

挂起

释放

活动

阻塞

静止

阻塞

激活释放

挂起

图2-6具有挂起状态的进程状态图

（1）引入挂起状态的理由

·终端用户暂停自己的进程

·父进程需求：

如到某个阶段暂时挂起某个子进程

·对换的需要

·OS的需要

（2）挂起状态不等于阻塞状态：

挂起状态通常不缺乏资源

（3）挂起状态到其它状态的转换（P43）

·活动就绪→静止就绪：

被挂起

·活动阻塞→静止阻塞：

被挂起

·静止就绪→活动就绪：

静止就绪进程被激活

·静止阻塞→活动阻塞：

静止阻塞进程被激活

·静止阻塞→活动就绪：

阻塞原因的事件发生但未被激活

五、进程控制块PCB（processcontrolBlock）

1．PCB的作用

·OS记录进程情况的数据结构—－OS使用（用户不能直接使用）

·OS根据PCB的信息对进程进行管理和控制

·PCB是进程实体的一部分

·PCB是进程存在的唯一标志

2．PCB的组成（P44）

·进程标识信息:

·进程调度信息

·进程运行现场信息

·其他信息

3．PCB的组织方式

基本队列:

运行队列（单CPU只有一个进程）,就绪队列,阻塞队列,空闲队列

丙0

丁

丁运行就绪运行

丙就绪运行

乙就绪运行

阻塞

甲就绪运行就绪

时间片

（1）链接方式

空闲队列指针

PCB1

PCB2

PCB3

PCB4

PCB5

PCB6

PCB7

PCB8

PCB9

┆

图2-7PCB链接队列示意图

运行进程:

就绪进程:

1,4,8

阻塞进程:

2,3

（2）索引方式

阻塞表指针

就绪索引表

阻塞索引表

PCB1

PCB2

PCB3

PCB4

PCB5

PCB6

PCB7

图2-8按索引方式组织PCB

六、进程映象（进程的物理组成）

用·用户数据：

程序数据（局部全局变量、常量）

户·用户程序：

代码

进·用户栈：

存放过程调用的参数,返回地址等

程·进程控制块

进程标识

进程状态信息

进程控制信息

用户栈

私有用户地址空间

（程序、数据）

共享地址空间

进程标识

进程状态信息

进程控制信息

用户栈

私有用户地址空间

（程序、数据）

共享地址空间

进程标识

进程状态信息

进程控制信息

用户栈

私有用户地址空间

（程序、数据）

共享地址空间

进程1进程2进程n

图2虚拟内存中的用户进程

七、操作系统控制结构

为了管理进程和资源，操作系统必须掌握每一个进程和资源的当前状态信息，操作系统为每个被管理者建立并维护一些信息表（数据结构）

·内存表：

用来跟踪主存和辅（虚拟）存

·I/O表：

管理I/O设备

·文件表：

提供当前文件存在的信息

进程1

·进程表：

——管理CPU

内存

设备

文件

进程

内存表

I/O表

文件表

进程1

进程2

┇

进程n

进程表

进程n

2.3操作系统内核

一、处理机的执行状态

CPU指令系统有两类指令.

.特权指令：

允许操作系统使用,不允许一般用户使用

（如修改程序状态字;设置中断屏蔽：

启动I/O设备;清内存;设置时钟等）

.非特权指令：

用户均可用的

·管态（系统态,核心态）：

处在管态下可以执行全部指令（包括特权指令）,使用所有资源，并具有改变处理机状态的能力。

一般指操作系统内核程序运行时所处的状态。

特权指令是不允许一般用户使用，只能由OS使用的指令

·目态（用户态）：

处理机执行用户程序（除操作系统外的一切程序。

包括其它系统程序。

处在目态下只能执行非特权指令。

一般是用户程序运行时的状态。

区分系统态和用户态的原因是为了区别OS和用户态程序享用资源的权限，这样做的目的是为了保证OS的安全。

（这两种状态时可转换的）

二、中断

1．中断的引进

主机对外设的管理方式：

（1）程序查询方式

CPU启动外设后，要了解I/O工作何时结束，CPU反复执行“查询指令”，直到I/O工作完成。

I/O查询

采集I/O设备状态

I/O设备准备就绪

是

主机与I/O设备交换数据

此方式是：

在I/O设备工作期间，CPU将处于反复查询状态（等待）。

故实际上CPU效率很低。

（2）中断控制方式

当I/O设备完成I/O操作：

（为新的I/O操作做好准备时，由硬件向CPU出发信号（设置中断位），CUP转而执行中断服务程序，然后返回执行原来的主程序）。

主程序

CPU工作

启动外设

CPU工作中断请求I/O操作结束

CPU响

应中断中断服务（OS）

程序入口

CPU工作返回

主程序实现数据交换

中断控制方式使得在I/O设备工作时，CPU无需反复查询I/O设备工作状态，可以继续执行原来的程序（或其它程序），当I/O设备完成I/O操作产生中断，CPU才处理该中断，这样大大提高了CPU运行效率。

2．中断的定义

所谓中断是指CPU对系统中发生的异步事件的响应。

异步事件是指无一定时序关系的随机发生的事件。

“中断”指当异步事件发生后，打断了处理机对当前程序的执行，而转去处理该异步事件，直到处理完该异步事件后，再转回原程序的中断点继续执行。

3．中断的类型（中断源：

引起中断发生的事件）

中断寄存器：

记录中断，中断寄存器的内容称中断字

·外中断：

中断信号来自处理机以外的硬部件，如I/O中断,时钟中断。

·内中断：

中断信号来自处理机内部的硬部件

·访管中断：

由执行系统调用（访管）指令引起

·硬件故障中断：

如电源失效，奇偶校验错，寻址错。

·程序性中断：

如非法指令，算术溢出，地址越界

中断事件又分为：

意外事件:

事先未想到的如硬件故障。

随机事件：

事先知道会发生，但不知发生的确切时间，如I/O中断。

4．中断的处理

中断响应具体做法：

CPU在执行每条指令后扫描中断寄存器，查看有无中断请求。

如果没有，则运行下一条指令；如果有中断请求，则通过交换中断向量引出（进入）中断处理程序.具体实现：

·硬件中断机构：

由硬件设置中断位软、硬件结合

软件中断处理：

OS的中断处理程序

·CPU响应中断时间：

通常是在两条指令执行之间

·中断处理过程：

①保护被中断的现场于内存相应的保留区中。

②分析中断源，根据中断类型转而执行相应的中断处理程序。

③恢复被中断的程序的现场，继续原来的执行。

中断要保护的程序现场包含：

·断点：

被中断程指令的下一条指令地址

·CPU中通用寄存器的内容，含有现行程序的中间结果

·处理机的程序状态字PSW

包含程序运行时机器的状态（核心态/用户态）中断屏蔽码，与程序运行有关的信息。

新PSW

老PSW

机器状态位中断屏蔽PC（程序计数器）

中断屏蔽

现行PSW寄存器

●中断处理的硬件操作为：

·将处理机的PSW压入堆栈

·按中断向量地址（包括中断处理程序的IP）取出中断处理程序的程序状态字，放入处理机的PSW寄存器中。

·中断处理程序处理各种中断——软件（OS）

5．多级中断和中断屏蔽

当同时有多个中断请求时，CPU接受中断优先级为最高的那个中断，而暂不处理中断优先级较低的中断。

系统通常按中断源的“紧急程度”分成不同优先级的中断。

中断屏蔽：

是指在CPU运行的程序不希望在其执行过程中被别的事件所中断，这种情况称中断屏蔽。

中断屏蔽可在PSW中设置中断屏蔽位以屏蔽某些指定的中断类型：

·若某类中断屏蔽位被设置，则不响应这类中断

·若PSW中中断屏蔽位未被设置，则可接受（其中断级别）高于运行程序的中断优先级的那些中断。

·不可屏蔽中断：

不能不响应的中断

中断是现代计算机系统中基本设施之一,它起着通讯联络作用,

协调系统对各种外部事件的响应处理.中断是实现多道程序的必要条件.

三、时钟和时钟管理

1．时钟的作用

·内部定时：

如分时系统的时间片轮转用的间隔时钟；定时唤醒某些需要执行的事件。

·分析比较：

计算机系统运行时间，用户运行时间等。

·统计：

计算使用各种设备的时间。

2．物理时钟：

由脉冲电路产生脉冲数对时钟寄存器进行加1（或减1）产生时钟。

3．虚时钟：

由内存单元构成，记录进程的一些时间参数（如运行时间，昂贵设备使用时间）。

正向时钟和逆向时钟。

四、原语操作：

原语：

一段OS的程序

原语：

原子操作（AtomicOperation），一个操作中的所有动作，要么全做，要么全不做，即不可分割的操作。

原语操作由若干条指令所构成，用于完成一定功能的过程。

OS中一些基本操作是利用原语操作实现的，如对进程控制进程同步等都是原语操作。

原语操作可以通过屏蔽中断方式实现。

五、操作系核心（内核）

OS的核心是指最底层的模块组成的部分，包括：

·与底层硬件设备相关的模块，如设备驱动程序

·运行频率较高的模块，包括：

中断处理、时钟管理、原语操作

·OS的公共模块

OS其它

OS核心

硬件

2．4进程控制原语

一、创建进程原语（P48）

1．何时创建进程

·分时系统用户登录时

·批处理系统作业调度选中某一作业为其创建进程

·用户进程执行系统调用（如I/O服务），系统创建一个I/O进程来完成。

·用户父进程创建子进程

2．进程树

一个进程总是由系统进程或另一个进程创建的，创建进程的称为父进程，被创建的为子进程。

进程树表示了这种父子关系。

3．创建进程原语的操作（P49）

·申请空白的PCB，分配唯一的内部标识符

·初始化PCB

·为新进程申请资源

·插入就绪队列——有的系统不是立即将新进程插入

二、进程终止原语

1．引起进程终止的事件

·正常运行结束

·异常结束，如P49中，越界错、非法指令等

·外界干预，强制性停止

2．终止进程操作

中止进程执行，回收进程占用的资源

三、进程的阻塞与唤醒原语

1．引起进程阻塞和唤醒的事件

（1）引起进程阻塞的事件

·请求系统服务不能得满足时（如资源已被占用）

·启动某种操作，操作未结束时（如I/O操作）

·等待其他进程的数据（或消息）

·等待新任务

阻塞是进程主动行动，进程通过调用阻塞原语把自己阻塞。

（2）引起进程唤醒的事件

·资源回收时

·操作结束时

·其他进程发送数据后

·新任务到来时

进程唤醒是其它进程调用唤醒原语进行

2．阻塞原语操作

·停止进程执行

·改变进程状态为阻塞

·放入阻塞队列——有时按不同原语构成不同队列

·调用CPU调度程序、调度另一个进程运行

3．唤醒原语操作

·把被唤醒的进程从阻塞队列撤出

·改变进程状态为就绪

·插入就绪队列

四、再理解状态转换图

运行

I/O请求

等待事件进程调度

就绪

阻塞

事件发生I/O

请求完成

例：

用户进程A,用户进程B的并发运行过程

用户进程A程序如下：

定义数组L[1…10000]

┆

计算L[i]

┆

阻塞→打印L转系统调用打印进程

┆传送数组首地址和传输个数→打印机打印

┆启动打印机，打印结束产生中断信号，

打印结束的中断处理

唤醒进程甲。

其它

进程B就绪运行运行

中断

打印进程运行打印结束处理

进程A运行阻塞就绪

五、进程的挂起和激活

·挂起情况：

用户进程请求将自己挂起

父进程将子进程挂起

·处于任何状态的进程都可能被挂起

执行

挂起

活动

阻塞

静止

阻塞

静止

就绪

挂起

·挂起操作：

主要是改变该进程的状态

根据挂起前的状态决定挂起后的状态

·激活操作：

改变该进程的状态

根据激活前的状态决定激活后的状态

2.5系统运行过程

一、OS内核处理流程

·内核的运行是由接收一个中断开始（由中断接管CPU运行权）

·内核是一组程序模块，以程序方式运行（不是以进程方式运行）

内核运行流程图

用户程序

用

户

态

发现中断源

硬

件

装配中断源

完

成

交换程序状态字

产生中断处理程序运行

强迫中断事件

自愿中断事件

操

保护现场

作

分析中断源

系

统

分析参数

内

核

原语

完

I/O中断处理

外中断处理

校验中断处理

程序性

中断处理

成

原语处理

广义指令处理

系统调用

还有中断源吗

进程调度

用

户用户程序

态

二、内核运行的特点

·内核是由中断驱动

·内核的执行是连续的——不是以进程方式

·内核在屏蔽中断状态下执行（优先级）

·内核可以使用特权指令

三、虚拟机的特点

内核和裸机组成了一台虚拟机，进程或模块在虚拟机上运行，它比裸机功能更强大，具有以下特征：

·虚拟机为每个进程提供一个虚处理机。

·虚拟机没有中断，因而进程或模块无需处理中断。

·虚拟机为进程或模块提供了功能较强的指令系统。

即进程能够使用机器的非特权指令，广义指令（系统调用）和原语所组成的指令系统。

四、关于进程的再认识

·进程（线程）是唯一并发执行的单位，又是一个资源分配的单位，调度的单位（线程可能是调度单位）

·进程与程序的区别

进程程序

有状态无状态

有优先级无优先级

有队列无队列

可并发运行不能并发运行

补充习题

2.1程序在顺序执行和并发执行时，分别具有哪些特性

教材习题：

P603781112131415

思考题

1．如果系统中有n个进程，运行的进程最多几个，最少几个；就绪进程最多几个最少几个；等待进程最多几个，最少几个。

2.有没有这样的状态转换，为什么?

阻塞—>运行；就绪—>阻塞

展开阅读全文