第2章 进程与线程

2.1 进程概述
2.1.4 进程的特征 动态性：进程是程序的执行 并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时间内 同时运行 独立性：独立运行的基本单位，独立获得资源和调度 的基本单位。 异步性：各进程按各自独立的不可预知的速度向前推 进 结构特征：为了描述和记录进程的运行变化过程，并 使之能正确运行，应为每个进程配置一个进程控制块。这 样，从结构上看，每个进程都是由程序段 、数据段、进程 控制块三部分组成
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.1 进程的状态
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.2 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)。 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
2.3 进程控制
从进程的定义和它的动态特征可知，进程是 在系统运行过程中不断产生和消亡的。是经历产 生、生存，消亡而最终撤离系统。这整个过程是 由进程控制实现的。
所谓进程控制，是指系统使用一些具有特定 功能的程序段来创建、撤消进程以及完成进程各 状态间转换等一系列有效管理。
2.3 进程控制
用于进程控制的程序段在执行过程中是不允 许被中断的，或者说其执行过程不可分割。我们 把这样的程序段叫原语。 用于进程控制的原语有：创建原语；撤消原 语；阻塞原语；唤醒原语等。
第2章 进程与线程
2.1 进程概述
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。在本节中,我们将讨论进程概 念、进程的状态转换和进程控制。
第2章 进程与线程
2.1 进程概述 如果考虑两个程序，它们在同一时间度量下 同时运行在不同的处理机上，则称这两个程序是 并行执行的。 如果在某一指定的时间t，无论a1和a2是在 同一处理机上还是在不同的处理机上执行，只要 a1和a2都处在各自的起点和终点之间的某一处， 则称a1和a2是并发执行的。能够参与并发执行 的程序称为并发程序。引入程序并发执行是为了 充分利用系统资源,提高计算机的处理能力。
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.2 进程控制块 所拥有的资源和使用情况：
虚拟地址空间的现状 打开文件列表
CPU现场保护信息：
寄存器值（通用、程序计数器PC、状态PSW，地 址包括栈指针） 指向赋予该进程的段/页表的指针
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.3 进程控制块的组织
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.2 进程控制块 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
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.2 进程控制块 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 进程的队列指针 进程的消息队列指针
2.4 线程
2.4.1 线性的概念 进程的两个基本属性 进程是一个可拥有资源的基本单位。 进程同时又是一个可独立调度和分派的基本单位。 进程作为一个资源拥有者，在创建、撤消、切换中， 系统必须为之付出较大时空开销。所以系统中进程的数量 不宜过多，进程切换的频率不宜过高，这就限制了并发程 度的进一步提高 为解决此问题，人们想到将进程的上述两个属性分开， 即对作为调度和分派的基本单位，不同时作为独立分配资 源的单位；对拥有资源的单位，不对之进行频繁切换。线 程因而产生。
第2章 进程与线程
内容提要
本章首先阐述了程序的并发执行及进程的概念，进程 的状态及其转换，然后介绍了线程的概念及其实现，最后 对处理机调度作了详细的介绍。
教学目标
1．理解和掌握进程的概念、状态变化。 2．理解并掌握线程的概念、线程与进程的关系以及线 程的实现。 3．了解处理机调度的层次，掌握进程调度算法。
2.4 线程
2.4.1 线性的概念 在引入线程的OS中，线程是进程中的一个实 体，是被系统独立调度和分派的基本单位。 线程只拥有少量必不可少的资源：如：线程状 态、寄存器上下文和栈。 它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥 有的全部资源。 一个线程可以创建和撤消另一个线程；同一进 程中的多个线程之间可以并发执行。 线程同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态
2.1 进程概述
2.1.2 进程的定义 “进程”是操作系统的最基本、最重要的概念 之一，它对理解、描述和设计操作系统都具有非 常重要的意义。但迄今为止对这一概念还没有一 个确切的统一的描述。 进程是具有一定独立功能的程序关于某个数 据集合上的一次运行活动，进程是系统进行资源 分配和调度的一个独立单位。
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.1 进程的状态 进程的三种基本状态：就绪，运行，阻塞 进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态 之一。 不同系统设置的进程状态数目不同
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.1 进程的状态 运行态(Running):进程占有CPU，并在CPU上 运行 就绪态(Ready):一个进程已经具备运行条件， 但由于无CPU暂时不能运行的状态（当调度给其 CPU时，立即可以运行） 阻塞态(Blocked):等待态、睡眠态。指进程因 等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态（即使 CPU空闲，该进程也不可运行）
2.3 进程控制
1.创建原语
进程控制块是进程存在的唯一标识，所以创 建一个进程的主要任务是为其建立一个PCB。 创建步骤： (1) 申请一块空闲PCB (2) 为新进程分配资源，如内存 (3) 初始化进程控制块 (4) 将新进程插入就绪队列
2.3 进程控制
2 撤消原语 如果一个进程已完成指定任务或由于故障不 能继续运行时，就应被撤离系统而消亡。所谓撤 消，是指撤消进程存在的标志——进程控制块， 从而使其从系统中消亡。一般来说，在进程家族 采用树型结构中，当一个进程被撤消时，还要将 其创建的各个子孙进程也全部撤消。 撤消原语一般采用递归算法实现。
2.4 线程
2.4.1 线性的概念 引入线程的好处 线程的优点：减小并发执行的时间和空间开销 （线程的创建、退出和调度），因此容许在系统中 建立更多的线程来提高并发程度。
线程的创建时间比进程短； 线程的终止时间比进程短； 同进程内的线程切换时间比进程短； 由于同进程内线程间共享内存和文件资源，可 直接进行不通过内核的通信；
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.1 进程的状态
2.2 进程的状态和进程控制块
【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 3. 一个状态转换的发生，是否一定导致另一个转 换发生，列出所有的可能
2.4 线程
20世纪60年代在操作系统中引入进程的概念后， 便以进程作为能拥有资源和独立运行的基本单位，到 了20世纪80年代中期，人们又提出了线程的概念，它 是比进程更小的能独立运行的基本单位. 在操作系统中引入进程的目的是为了使多个程序 并发执行，以提高资源的利用率和系统的吞吐量，而 在操作系统中引入线程则是为了减少程序并发执行时 所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。
2.1 进程概述
2.1.1 程序与计算 问题1. 不同程序间 如何切换？ 问题2. 从宏观上来 看三道程序如何运行？ 从微观上来看呢？ 问题3. 当几道程序 有共享某一资源，比如 说某一内存单元，能保 证每次运行程序，使所 得结果都一样吗？
2.1 进程概述
2.1.1 程序与计算 举例说明：假如系统中有A与B两道程序，共享一 个变量N。当程序顺序运行时，输出结果为 A=5 B=5 当并发执行时，输出结果？ int N=1; program A: program B: { { while(N<5) N=N+1； while(N<5) N=N+1； printf(“A=%d”,N) printf(“B=%d”,N); } }
2.1.3 进程与程序的联系和区别 程序是完成某个特定功能的指令的有序序列，是 一个静态的概念； 进程是程序的一次执行，是一个动态的概念，进 程是有生命期的，表现在它由创建而产生，完成任 务后被撤消。 程序可以作为一种软件资源长期保存。 进程是把程序作为它的运行实体，没有程序，也 就没有进程。
2.1 进程概述
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.3 进程控制块的组织
2、链接结构
相同状态的 PCB组成一个 链表，不同状 态对应多个不 同的链表:就绪 链表、等待链 表。
2.2 进程的状态和进程控制块
2.2.3 进程控制块的组织
3、索引结构
对具有相同状 态的进程，分 别设置各自的 PCB索引表， 表明PCB在 PCB表中的地 址。Fra bibliotekPCB表：
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表的多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 1、线性表方式:不管进程的状态，将所有的PCB连续存 放在一个特定的内存区域中。 优点：最简单,容易实现,适用于系统中进程数目不多的 情况。 缺点：调度进程时往往要查找所有的进程控制块,包括 空闲的进程控制块。
2.3 进程控制
3.阻塞原语 处于运行状态的进程，在其运行过程中期待 某一事件发生，当被等待的事件还没有发生时， 由进程自己执行阻塞原语，使自己由运行态变为 阻塞态。 阻塞会引发：进程调度，上下文切换等操作
2.3 进程控制
4、唤醒原语 当某进程期待的事件已经到来时，被发现者 进程唤醒。 当一个进程等待一个信号时，由发送信号者 进程唤醒； 当一个进程等待I/O操作时，由中断处理程序 唤醒； 当一个进程睡眠时间到，由时钟中断发现而 唤醒之。