第三章 进程管理(2)

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进程创建与撤消
进程的创建方式
(1) 由系统程序模块统一创建，例如在批处理系统中，由操作系统 的作业调度程序为用户作业创建相应的进程以完成用户作业所 要求的功能。 (2) 由父进程创建，例如在层次结构的系统中，父进程创建子进程 以完成并行工作。
由系统统一创建的进程之间的关系是平等的，它们之间 一般不存在资源继承关系。而在父进程创建的进程之间 则存在隶属关系，且互相构成树型结构的家族关系。属 于某个家族的一个进程可以继承其父进程所拥有的资源。 另外，无论是哪一种方式创建进程，在系统生成时，都 必须由操作系统创建一部分承担系统资源分配和管理工 作的系统进程。
操作系统中，将进程空间划分为用户空间和系统空间， 分别运行用户进程与系统核心进程。OS通过PSW设置 不同的运行模式(用户态与核心态)来限制用户进程和系 统进程对系统资源的访问权限，从而对系统的重要信息 进行保护。
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原语
一般地，把系统态下执行的某些具有特定功能的 程序段称为原语。 原语可分为两类：一类是机器指令级的，其特点 是执行期间不允许中断，正如在物理学中的原子 一样，在操作系统中，它是一个不可分割的基本 单位。另一类是功能级的，其特点是作为原语的 程序段不允许并发执行。 这两类原语都在系统态下执行，且都是为了完成 某个系统管理所需要的功能和被高层软件所调用。
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进程空间
进程空间(虚空间)：任一进程自己的地址空间。由一些 连续或不连续的存储块所组成 。主要用于存储相应的进 程映像。 进程空间的大小只与处理机的位数有关。例如，一个16 位长处理机的进程空间大小为216，而32位长处理机的 进程空间大小为232。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。 如何保证系统安全、可靠地运行？在UNIX以及Linux等
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临界区：当若干个进程均要使用同一临界资源时， 它们必须以互的方式进行。把程序中使用某一临界 资源的那段代码称为程序的临界区(critical section)。
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设有两个计算进程ＰA，ＰB共享内存ＭS。其中 ＭS 分为三个领域，即系统区、进程工作区和数据区。 这里数据区被划分大小相等的块，每个块中既可能 放有数据，也有可能未放有数据。系统区主要是堆 栈Ｓ，其中存放那些空数据块的地址（如图）。
第三章 进程管理
主讲：何中胜 计算机科学工程系
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3.4 进程的控制
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进程和处理机管理的一个重要任务是进程控制。 所谓进程控制，就是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 间的转换，从而达到多进程高效率并发执行和协 调、实现资源共享的目的。同时，为了保护系统 的关键数据不被破坏，系统根据进程的性质限制 其对系统资源的门市部，以保证系统安全、可靠 地运行。
多进程共享内存栈区示例
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当进程ＰA或ＰB要求空数据块时，从堆栈最顶部 当进程Ｐ 要求空数据块时， 指针所指的位置） （top指针所指的位置）取出所需数据块。当进程 指针所指的位置 取出所需数据块。 释放数据块时， ＰA或ＰB释放数据块时，则把所释放数据块的地 址放入堆栈顶部。 为取空数据块过程， 址放入堆栈顶部。令getspace 为取空数据块过程， release(ad)为释放数据块过程。这里，ad为待释放 为释放数据块过程。 为释放数据块过程 这里， 为待释放 数据块的地址。如果堆栈Ｓ非空的话，进程ＰA或 数据块的地址。如果堆栈Ｓ非空的话，进程Ｐ 是可以用任意的顺序释放和获取数据块的。 ＰB是可以用任意的顺序释放和获取数据块的。执 就是获取一个空数据块， 行getspace就是获取一个空数据块，而执行 就是获取一个空数据块 release(ad)就是释放一个地址为 的数据块。然而， 就是释放一个地址为ad的数据块 就是释放一个地址为 的数据块。然而， 由下面的描述可以看到，在进程并发执行时， 由下面的描述可以看到，在进程并发执行时， getspace或 release(ad)将有可能完不成所要求的功 或 将有可能完不成所要求的功 可进一步描述为： 能。getspace和 release(ad)可进一步描述为： 和 可进一步描述为
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进程创建与撤消
无论是系统创建方 式还是父进程创建 方式，都必须调用 创建原语来实现。 创建原语扫描系统 的PCB链表，在 找到一定PCB表 之后，填入调用者 提供的有关参数， 最后形成代表进程 的PCB结构。这 些参数包括：进程 名、进程优先级Ｐ 0 、进程正文段起 始地址ｄ0 、资源 清单Ｒ0等。其实 现过程如图
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这里，转进程 调度程序是很 重要的，否则， 处理机将会出 现空转而浪费 资源。
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当等待队列中的进程所等待的事件发生时，等待该事件 的所有进程都将被唤醒。 唤醒一个进程有两种方法：一种是由系统进程唤醒。另 一种是由事件发生进程唤醒。当由系统进程唤醒等待进 程时，系统进程统一控制事件的发生并将“事件发生” 这一消息通知等待进程。从而使得该进程因等待事件已 发生而进入就绪队列。由事件发生进程唤醒时，事件发 生进程和被唤醒进程之间是合作关系。因此，唤醒原语 既可被系统进程调用，也可被事件发生进程调用。称调 用唤醒原语的进程为唤醒进程。唤醒原语首先将被唤醒 进程从相应的等待队列中摘下，将被唤醒进程置为就绪 状态之后，送入就绪队列。在把被唤醒进程送入就绪队 列之后，唤醒原语既可以返回原调用程序，也可以转向 进程调度，以便让调度程序有机会选择一个合适的进程 执行。如图
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进程上下文
动态性是进程的重要特征之一，体现在与之相关 有系统数据的变化。如程序计数器、寄存嚣、程 序状态字、堆栈内容的变化等。这些寄存器的值、 堆栈内容待是进程控制的主要依据，它们反映也 进程执行的当前情况以及系统变化的历史数据， 称之为处理机上下文 。 当一个进程切换到另一个进程时相应的PCB、处 理机上下文的内容都 要发生变化。因此常把计算 机系统中与执行该进程有关的各种寄存器的值、 程序段在经过编译之后形成的机器指令代码集 （或称正文段）、数据集及各种堆栈值和PCB结 构定义为进程上下文。
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这里，有关寄存器和栈区的内容是重要的。例如， 这里，有关寄存器和栈区的内容是重要的。例如， 没有程序计数器PC和程序状态寄存器 和程序状态寄存器PS， 没有程序计数器 和程序状态寄存器 ，CPU将 将 无法知道下条待执行指令的地址和控制有关操作。 无法知道下条待执行指令的地址和控制有关操作。 从而， 从而，从CPU是活动的观点来静态地看一个进程 是活动的观点来静态地看一个进程 时，必须把有关寄存器和栈区的内容也包括在其 无论在何种系统中， 中。无论在何种系统中，进程上下文的各部分都 必须按一定的规则有机地组合起来以便于执行。 必须按一定的规则有机地组合起来以便于执行。 16 2011年9月16日星期五
进程上下文可按一定的执行层次组合，例如用户级上下 文、系统级上下文等。显然，一个进程的执行是在该进 程的上下文中执行，而当系统调度新进程占有处理机时， 新老进程的上下文发生转换。 在UNIX System Ⅴ中，进程上下文由用户级上下文、寄 存器上下文以及系统级上下文组成。用户级上下文由进 程的用户程序段部分编译而成的用户正文段、用户数据、 用户栈等组成。而寄存器上下文则由程序寄存器PC、处 理机状态字寄存器PS、栈指针和通用寄存器的值组成。 其中PC给出CPU 将要执行的下条指令的虚地址；PS给 出机器与该进程相关联时的硬件状态，例如当前执行模 式、能否执行特权指令等；栈指针指向下一项的当前地 址，而通用寄存器则用于不同执行模式之间的参数传递 等。
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进程的互斥
资源共享所引起的制约：进程的并发执行不仅仅 是用户程序的执行开始时间的随机性和提高资源 利用率的结果，也是资源有限性导致资源的竞争 与共享对进程的执行过程进行制约所造成的。 临界资源：把某一时刻仅允许一个进程访问的共 享资源称为临界资源(critical resource)
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显然，系统在创建、撤消一个进程以及要改变进程的状 态时，都要调用相应的程序段来完成这些功能。那么， 这些程序段是不是原语呢？如果它们不是原语，则由上 述原语的定义可知，这些程序段是允许并发执行的。然 而，如果不加控制和管理地让这些控制进程状态转换及 创建和撤消进程的程序段并发执行，则会使得其执行结 果失去封闭性和可再现性，从而达不到进程控制的目的。 反过来，如果对这些程序段采用下面章节中所述的控制 方法使其在并发执行过程中也能完成进程控制任务的话， 将会大大增加系统的开销和复杂度。 因此，在操作系统中，通常把进程控制用程序段做成原 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。
getspace:
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t1：g ← stack ［top］ → g=stack ［ h0+1］； ： ］ ］； t2：top ← top-1 ： → top=h0； ；
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进程创建与撤消
撤消原语首先检查 PCB进 程链或进程家族，寻找所 要撤消的进程是否存在。 如果找到了所要撤消的进 程的 PCB结构，则撤消原 语释放该进程所占有的资 源之后，把对应的 PCB结 构从进程链或进程家族中 摘下并返回给 PCB空队列。 如果被撤消的进程有自己 的子进程，则撤消原语先 撤消其子进程的 PCB结构 并释放子进程所占用的资 源之后，再撤消当前进程 的 PCB结构和释放其资源。 如图