操作系统-3进程管理

Process N
1、操作系统的控制结构
• 操作系统核心控制结构是进程结构,资源管理的 数据结构将围绕进程结构展开。
Memory Tables
Process Image
Memory Devices
Files Processes File Tables
Primary Process Table
I/O Tables
• 用户级上下文：进程的用户地址空间（包括用户栈各层 次），包括用户正文段、用户数据段和用户栈 • 寄存器级上下文：程序寄存器、处理机状态寄存器、栈 指针、通用寄存器的值 • 系统级上下文： – 静态部分（PCB和资源表格） – 动态部分：核心栈（核心过程的栈结构，不同进程在 调用相同核心过程时有不同核心栈）
• 资源占用信息：虚拟地址空间的现状、打开文件列表 • CPU现场保护结构：寄存器值（通用、程序计数器 PC、状态PSW，地址包括栈指针）
PCB的组织方式
• 链表：同一状态的进程其PCB成一链表，多个状态 对应多个不同的链表
– 各状态的进程形成不同的链表：就绪链表、阻塞链表
• 索引表：同一状态的进程归入一个index表（由index 指向PCB），多个状态对应多个不同的index表
Process Image
Memory Devices
Files Processes File Tables
Primary Process Table
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I/O Tables
Process 1 Image
进程控制表管理进程 及其相关信息
……
Process 1 Process 2
……
Process N Image
进程控制块的内容
• 进程描述信息：
– 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数； – 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一）； – 用户标识符(user ID)；进程组关系(process group)
• 进程控制信息：
– – – – – – 当前状态； 优先级(priority)； 代码执行入口地址； 程序的外存地址； 运行统计信息（执行时间、页面调度）； 进程间同步和通信；阻塞原因
进程的状态及其变化
等待状态（Blocked，阻塞状态） 进程因等待某一事件（如等待 某一输入，输出操作完成）而暂时 不能运行的状态称为等待状态，此 时即使CPU空闲，它也无法使用。
进程的状态及其转换
运行
• 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 • 运行 --> 等待 – 当一进程必须等待时 – OS尚未完成服务 – 对一资源的访问尚不能进行 – 初始化I/O且必须等待结果 – 等待某一进程提供输入 (IPC) • 等待 --> 就绪 – 当所等待的事件发生时
4. 处理机调度器（dispatcher）
处理机调度器是操作系统中的一段代码， 它完成如下功能：
• 把处理机从一个进程切换到另 一个进程； • 防止某进程独占处理机；
5. 作业与进程的关系

作业是用户向计算机提交任务的任务实体。用 户提交作业后，系统将把它放在外存的作业等待 队列中等待执行。 进程是计算机为了完成用户任务实体而置的执 行实体，是向系统申请分配资源的基本单位。 一个作业总是由多个进程组成，并且至少由一个 进程组成，但反过来不成立。 作业的概念主要用于批处理中。
• 顺序执行的特征
– 顺序性：按照程序结构所指定的次序（可能有分支或循环） – 封闭性：独占全部资源，计算机的状态只由于该程序的控 制逻辑所决定 – 可再现性：初始条件相同则结果相同。如：可通过空指令 控制时间关系。
• 并发执行的特征（独立性、随机性、资源共享）
– 间断(异步)性："走走停停"，一个程序可能走到中途停下 来，失去原有的时序关系； – 失去封闭性：共享资源，受其他程序的控制逻辑的影响。 如：一个程序写到存储器中的数据可能被另一个程序修改， 失去原有的不变特征。 – 失去可再现性：失去封闭性 －>失去可再现性；外界环境 在程序的两次执行期间发生变化，失去原有的可重复特征。
进程空间
任一进程,都有一个自己的地址空间,把该空间 成为进程空间或虚空间.进程空间的大小只与 处理机位数有关。程序的执行都在进程空间 内进行。用户程序、进程的各种控制表格等 都按一定的结构排列在进程空间中。 UNIX,Linux等系统中，进程空间被划分成用户 空间和系统空间。 计算机系统还通过程序状态寄存器等设置不同 的执行模式，即用户模式和系统模式来进行 保护。
第三章 进程管理和处理机管理 （进程管理）
为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享，我们需要一个 描述程序执行时动态特征的概念，这就是进程。在本章中，我 们将讨论进程概念、进程控制和进程间关系。 3.1 进程(PROCESS) 3.2进程的描述
3.3进程的状态及转换 3.4 进程控制 3.5 进程互斥 3.6进程同步 3.7 进程间通信 3.8 死锁问题 3.9 线程的基本概念 3.10 Linux 2.4的进程管理
– R(i)W(j)=; – W(i)R(j)=; – W(i)W(j)=;
前两条保证一个程序的两次读之间数据不变化；最后一条 保证写的结果不丢掉。 现在的问题是这个条件不好检查。
3.1.2 进程的定义
1. 进程的定义
一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合 上的一次动态执行过程。
• 它对应虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟外设等 资源的分配和回收； • 引入多进程，提高了对硬件资源的利用率，但 又带来额外的空间和时间开销，增加了OS 的 复杂性；
2. 进程的特征
• 动态性：进程具有动态的地址空间（数量和内容）， 地址空间上包括：
– 代码（指令执行和CPU状态的改变） – 数据（变量的生成和赋值） – 系统控制信息（进程控制块的生成和删除）
• 独立性：各进程的地址空间相互独立，除非采用进 程间通信手段； • 并发性、异步性："虚拟" • 结构化：代码段、数据段和核心段（在地址空间 中）；程序文件中通常也划分了代码段和数据段， 而核心段通常就是OS核心（由各个进程共享，包括 各进程的PCB）
Process 1 Process 2
……
Process N
Process 1 存储控制表管理一级 Image （主）存储器和二级 （虚拟）存储器，内 容包括：主存储器的 …… 分配信息，二级存储 器的分配信息，存储 Process N 保护和分区共享信息， Image 虚拟存储器管理信息
1、操作系统的控制结构
– 各状态的进行形成不同的索引表：就绪索引表、阻塞索 引表
Index Table PCB Table Ready Blocked Blocked Ready PCB Table
3.3进程的状态及其变化
进程在运行过程中有3种基本状态。这 些状态与系统调度占有处理机密切相关。所 以又称它们为进程调度状态。 运行状态（Running） 当一个进程已分配到处理机，他的程序 正由处理机执行时，称此进程处于执行状态。 就绪状态（Ready） 如果进程已具备执行条件，但是因为处 理机已由其他进程占用，暂时不能执行而等 待分配处理机，称此为就绪状态。
3. 进程与程序的区别
• 进程是动态的，有并行特征；程序是静态的，无 并行特征：程序是有序代码的集合；进程是程序 的执行。通常进程不可在计算机之间迁移；而程 序通常对应着文件、静态和可以复制。 • 进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态 变化的过程，程序可长久保存。 • 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、 数据和进程控制块（即进程状态信息）。 • 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程 序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可 包括多个程序。
并发执行的条件：达到封闭性和可再现性
并发执行失去封闭性的原因是共享资源的影响，去掉这种影响 就行了。1966年，由Bernstein给出并发执行的条件。（这里没 有考虑执行速度的影响。）
• 程序 P(i) 针对共享变量的读集和写集 R(i)和W(i) • 条件：任意两个程序P(i)和P(j)，有：
Process N
2、进程映象 (进程要素)
• 进程程序 • 进程数据 •栈
–用于系统调用、过程调用时的参数存储和传递
• 进程控制块PCB (进程属性)
– 处于核心段 – 用户进程不能直接访问、修改自己的PCB
进程映象 (进程要素)
进程上下文：进程本身＋运行环境 对进程执行活动全过程的静态描述 由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内容及 与该进程相关的核心数据结构组成



等待
就绪
在进程运行过程中，由 于进程自身进展情况及 外界环境的变化，这三 种基本状态可以依据一 定的条件相互转换
三种进程状态->五状态进程模型
增加: 创建状态，终止状态
• 终止（退出exit)状态 创建(新new)状态 –中止后进程移入该状态 –OS 已完成为创建一进程所必要的工作 –它不再有执行资格 • 已构造了进程标识符 –表格和其它信息暂时由辅助程序保留 • 已创建了管理进程所需的表格 –一旦其他进程完成了对终止态进程的信息 –但还没有允许执行该进程 (尚未同意) 抽取之后，系统将删除该进程。 • 因为资源有限
……
Process 1 I/O控制表管理系统的 Image I/O设备和通道，包括： I/O设备和通道是否可 用，I/O设备和通道分 …… 配信息，I/O操作的状 态和进展，I/O操作传 Process N 输数据所在主存区。 Image
Process N
1、操作系统的控制结构
• 操作系统核心控制结构是进程结构,资源管理的 数据结构将围绕进程结构展开。