计算机软件及应用CPUPPT课件
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进程中止的原因
I/O 失败 无效指令
• 如试图执行数据
特权指令 操作系统干预
• 如当死锁发生时
父进程请求中止某一子进程 父进程中止，所以子进程也中止
第28页/共54页
2.9 进程操作－创建
• 进程在执行过程中，能通过系统调用创建多个 进程
• 子进程资源的获得：
• 物理资源（CPU时间、内存、I/O设备、文件）初始化数据（或者输入数 据）
第3页/共54页
并发执行的优点 • 资源共享：系统中资源被多个程序使用 • 个并发程序间独立的相对速度、起始时间 • 程序之间可相互作用（相互制约）
可分为直接作用和间接作用
第4页/共54页
并发程序
并发环境： 一定时间内，物理机器上有两个或两
个以上的程序同时处于开始运行但尚未 结束的状态，并且次序不是事先确定的
• 创建的进程越多，每个进程执行时间百分比 就越小。
• 每当一个进程终止时或空闲时间片超过了一
第33页/共54页
2）中程调度（中级调度）：决定将哪些进程调入 内存，为占用处理机做好准备。当然也会有一些 进程被剥夺内存的使用权。将进程的部分或全部 加载到内存中，提高内存利用率。进程状态：创 建<－>就绪
HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）
第30页/共54页
处理器调度的类型
• 处理器调度
• 对CPU资源进行合理地分配使用，以提高CPU的利用率，使各用户公平 地得到CPU资源。
• 处理器调度的目标
• 以满足系统目标（如响应时间、吞吐率、处理器效率）的方式，把进程 分配在一个处理器或多个处理器上执行。
CPU DEV2
CPU
10
15
20
25 30 35 40
45
B
DEV1
CPU
DEV2 CPU
DEV2
在并发环境下 CPU利用率 = 89%
t(s)
DEV1并发环境下利用率= 33%
DEV2并发环境下利用率= 66%
A
CPU DEV1 CPU DEV2
CPU
10
15
20
30
40
t(s)
B
DEV 1
CPU
• 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；通常对应着文件、静态和可以复制。进 程是程序的执行。
• 进程是暂时的，程序是永久的：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PCB(process control block 进程控制 块)。
2）一个独立的用户地址空间
3）系统资源，由OS分配给进程的系统资源，包括： I/O设备、文件等
4）进程运行及处理机调度进程切换时所要涉及到的
第9页/共54页
• 操作系统负责创建进程、为进程分配资源、调度 进程占用处理机等。
• 进程描述了程序的动态执行过程；
• 反映系统中程序执行的并发性、随机性和资源共 享
• 阻塞就绪：当进程所等待的事件发生时，进入就绪队列，重新等到处理机的 调度。
第21页/共54页
进程状态转换图
第22页/共54页
2.7 进程控制块PCB
进 程在OS内用PCB表示（process control Block) ，PCB是进程的属性之一。 包含:进程控制信息(调度和状态信息、进 程状态 、优先级、与调度有关的信息、 数据结构：队列等、进程间通信 、进程特权、内存管理信息、I/O状态 信息
引入并发的目的： 为了提高资源利用率，从而
提高系统效率
第5页/共54页
并发程序示例
有两个进程A 、B，如图所示
A
CPU DEV1 CPU DEV2
CPU
10
15
20
30
40
B
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
10
20
25
30
40
t(s) t(s)
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A
CPU DEV1 CPU DEV2
第18页/共54页
• 等待态(阻塞态）（waiting，Blocked） ：指进程 因等待某种事件的发生而暂停运行的状态（暂停 时不占用处理机。即使CPU空闲，该进程也不可 运行）。位于“等待队列”中。
• 终止（退出状态，Exit)：终止后进程移入该状态， 它不再有执行资格。终止可能是正常结束也可能 是中途终止。
• 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；
第2页/共54页
• 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。并发程序执行的结果与其执行的相对 速度有关，是不确定的。
第32页/共54页
3.1 处理器调度的分级
• 1）长程调度（高级调度/作业调度）：决定从外 存的批处理队列中选择哪个（些）作业被系统接 收做进一步运行，并为它们创建进程，分配必要 的资源。作业一旦被高调选中，相应的进程及进 程组才会产生，才能去占用系统资源。进程状态： 创建
• 长程调度程序决定OS可以接纳一个还是多个进程
• 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。
• 举例：正在运行的Web浏览器是一个进程，正在 运 行 的 W i n d o w s 资第源13页管/共理54页器 是 一 个 进 程 ， 正 在
2.4 进程－并发示例
• 3个进程并发执 行的图示，假设 处理机正在执行 A
第14页/共54页
• 程序计数器（PC Program counter）：为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能 够连续地执行下去，程序计数器（指令计数器）在程序开始执行前，必须将它的起始 地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此程序计数器（PC）的内 容即是从内存提取的一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容， 即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的 总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改 的过程通常只是简单的对PC加1。
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导致进程状态转换的事件类型
• 状态转换：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，基本状态可以依据一 定的条件相互转换
• 导致进程状态转换的事件类型
• NuLL 新建：创建执行一个程序的新进程 • 新建 就绪：OS准备好了接纳一个进程，进程进入内存，为该进程分配除
• 现在的操作系统多为并发执行，具有许多新的 特征。引入并发执行的目的是为了提高资源利 用率。
第1页/共54页
• 2.程序的并发执行
• 程序的并发执行:指一组在逻辑上互相独立的程 序或程序段在执行时间上客观上互相重叠，即 一个程序或程序段的执行尚未结束，另一个程 （段）的执行已经开始的方式。
• 并发执行的特征
处理机之外的一切资源。 • 就绪 运行：OS调度程序从就绪队列选择一个新的进程运行（占据CPU）
第20页/共54页
• 运行 就绪：
• 运行进程用完了时间片，不得不让出处理 机的使用权
• 运行进程被更高优先级进程中断（被更高 优先级进程剥夺了处理机），因为一高优 先级进程处于就绪状态
• 运行阻塞：当一进程等待某一事件的发生时，如：OS尚未完成系统服务调 用、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)
CPU
10
15
20
30
40
B
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
10
20
25
30
40
t(s) t(s)
在顺序环境下，A先执行，B再 执行
CPU利用率= 40/80 = 50% DEV1利用率= 15/80
=18.75% D E V 2 利 用第率7页/共=542页5 / 8 0
A
CPU
DEV1
• 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,
不受外界影响。 • 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。
(程序执行结果的确定性，程序运行结果与程序执行速度无关，只要初始 状态相同，结果应相同)
DEV2 CPU DEV2
10
20
25
30
40
t(s)
第8页/共54页
二 、进程 进程2 .：1一进个程具定有一义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。简言之，进程是程序的一次执行 活动。在现在操作系统中，用户程序以进程方式占用系 统资源。 进程由以下几个方面组成：
1）一个可执行程序，包括初始代码和数据
第15页/共54页
进程的轨迹（trace）：一个进程的执行指令序列， 用于描述单个进程的行为。
单 进 程 的 轨 迹第16页/共54页
3进程并发 执行的轨 迹：理解 处理器的 行为，如 何在三个 进程间交 替规执定行：每 个进程仅 允许最多 连续执行6 个指令周 期，之后 被中断(避 免独占）
A
• 并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推 进
• 异步性：每个进程都以其相对独立的不可预知的
速度向前推进
第11页/共54页
进程控制块（process control • b由lo操ck作,P系C统B管) 理控制进程而使用的标识和特性
信息集合称之为进程控制块（process control block,PCB),每个进程对应一个PCB。
的，并发执行） • 提交一个程序执行
• 父进程、子进程、进程树
第25页/共54页
进程何时中止?
程序执行Halt指令
用户退出登录 进程执行一个中止服务请求 出错及失败因素
第26页/共54页
进程中止的原因
正常结束 给定时限到 缺少内存 存储器出界 保护性出错
• 例子: 写只读文件
算术错 超出时间
• 进程等待超过对某事件的最大值
3）短程调度（低级调度、进程调度、分派程序 dispatcher )：决定就绪队列中哪个进程将获得 处理机。选择哪个进程在处理机上执行，执行最 频繁）
dispatcher B
I/O请求
C
第17页/共54页
dispatcher A
dispatcher C
2.5 进程的状态
• 新建状态(new)：刚刚创建的进程，辅存中。 • 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。既一个进程获得了除处理机之外的一 切所需资源。位于“就绪队列”中 • 执行态（Running） ：进程占有了包括CPU在内的全部资源，正在CPU上运行。 在单机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。
• 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；
第10页/共54页
2.2 进程特征
• 动态性：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 进程对应程序的执行 • 进程是动态产生，动态消亡的 • 进程在其生命周期内，在基本状态之间转换
• 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；
一个PCB包含以下信息：
1）进程标识信息：本进程的标识；本进程的产生 者标识等。
2）进程运行的现场信息：进程运行所需的数据或 地址寄存器等。
3）进程控制信息：进程的状态信息、进程优先级、 进程存储管理信息等。
进程执行完后，进程从系统退出，其所对应的PCB 也随之消失
第12页/共54页
2.3 进程-与程序的区别
第31页/共54页
处理器调度的准则
• 面向用户的准则
• 响应时间 (min)： • 周转时间(min) （结束时间-进入系统时间）：从进入系统直至完成所
经历的时间。
• 面向系统的准则
• 吞吐量(max)：系统在单位时间内完成的作业数。 • CPU利用率(max) • 公平 • 资源的平衡使用 • 系统开销 (min)
第23页/共54页
2.8 进程操作－创建和终止
• 创建进程
• 给新进程分配一个唯一的PID：在基本表中增加一个项目 • 给进程分配空间：进程映像、PCB • 初始化PCB • 设置正确的连接：置入相应队列中 • 创建或扩充其他数据结构：如记帐文件等
第24页/共54页
• 导致进程创建的事件
• 新的批作业（批处理系统中） • 交互登录（分时系统） • OS为提供一项服务而创建 • 由已有的进程生成（用户进程规定创建
• 创建新进程后：
• 父进程与子进程并发执行
第29页/共54页
三、 CPU对进程的调度
多道程序的关键是调度:对CPU资源进行合理的 分配使用，以提高处理机利用率，并使各用户公 平地得到处理机资源。 处理机调度是OS的重要功能之一。
WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法
WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机
进程中止的原因
I/O 失败 无效指令
• 如试图执行数据
特权指令 操作系统干预
• 如当死锁发生时
父进程请求中止某一子进程 父进程中止，所以子进程也中止
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2.9 进程操作－创建
• 进程在执行过程中，能通过系统调用创建多个 进程
• 子进程资源的获得：
• 物理资源（CPU时间、内存、I/O设备、文件）初始化数据（或者输入数 据）
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并发执行的优点 • 资源共享：系统中资源被多个程序使用 • 个并发程序间独立的相对速度、起始时间 • 程序之间可相互作用（相互制约）
可分为直接作用和间接作用
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并发程序
并发环境： 一定时间内，物理机器上有两个或两
个以上的程序同时处于开始运行但尚未 结束的状态，并且次序不是事先确定的
• 创建的进程越多，每个进程执行时间百分比 就越小。
• 每当一个进程终止时或空闲时间片超过了一
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2）中程调度（中级调度）：决定将哪些进程调入 内存，为占用处理机做好准备。当然也会有一些 进程被剥夺内存的使用权。将进程的部分或全部 加载到内存中，提高内存利用率。进程状态：创 建<－>就绪
HOW： 如何分配CPU —CPU调度过程（进程的上下文切换）
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处理器调度的类型
• 处理器调度
• 对CPU资源进行合理地分配使用，以提高CPU的利用率，使各用户公平 地得到CPU资源。
• 处理器调度的目标
• 以满足系统目标（如响应时间、吞吐率、处理器效率）的方式，把进程 分配在一个处理器或多个处理器上执行。
CPU DEV2
CPU
10
15
20
25 30 35 40
45
B
DEV1
CPU
DEV2 CPU
DEV2
在并发环境下 CPU利用率 = 89%
t(s)
DEV1并发环境下利用率= 33%
DEV2并发环境下利用率= 66%
A
CPU DEV1 CPU DEV2
CPU
10
15
20
30
40
t(s)
B
DEV 1
CPU
• 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；通常对应着文件、静态和可以复制。进 程是程序的执行。
• 进程是暂时的，程序是永久的：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PCB(process control block 进程控制 块)。
2）一个独立的用户地址空间
3）系统资源，由OS分配给进程的系统资源，包括： I/O设备、文件等
4）进程运行及处理机调度进程切换时所要涉及到的
第9页/共54页
• 操作系统负责创建进程、为进程分配资源、调度 进程占用处理机等。
• 进程描述了程序的动态执行过程；
• 反映系统中程序执行的并发性、随机性和资源共 享
• 阻塞就绪：当进程所等待的事件发生时，进入就绪队列，重新等到处理机的 调度。
第21页/共54页
进程状态转换图
第22页/共54页
2.7 进程控制块PCB
进 程在OS内用PCB表示（process control Block) ，PCB是进程的属性之一。 包含:进程控制信息(调度和状态信息、进 程状态 、优先级、与调度有关的信息、 数据结构：队列等、进程间通信 、进程特权、内存管理信息、I/O状态 信息
引入并发的目的： 为了提高资源利用率，从而
提高系统效率
第5页/共54页
并发程序示例
有两个进程A 、B，如图所示
A
CPU DEV1 CPU DEV2
CPU
10
15
20
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40
B
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
10
20
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t(s) t(s)
第6页/共54页
A
CPU DEV1 CPU DEV2
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• 等待态(阻塞态）（waiting，Blocked） ：指进程 因等待某种事件的发生而暂停运行的状态（暂停 时不占用处理机。即使CPU空闲，该进程也不可 运行）。位于“等待队列”中。
• 终止（退出状态，Exit)：终止后进程移入该状态， 它不再有执行资格。终止可能是正常结束也可能 是中途终止。
• 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；
第2页/共54页
• 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。并发程序执行的结果与其执行的相对 速度有关，是不确定的。
第32页/共54页
3.1 处理器调度的分级
• 1）长程调度（高级调度/作业调度）：决定从外 存的批处理队列中选择哪个（些）作业被系统接 收做进一步运行，并为它们创建进程，分配必要 的资源。作业一旦被高调选中，相应的进程及进 程组才会产生，才能去占用系统资源。进程状态： 创建
• 长程调度程序决定OS可以接纳一个还是多个进程
• 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。
• 举例：正在运行的Web浏览器是一个进程，正在 运 行 的 W i n d o w s 资第源13页管/共理54页器 是 一 个 进 程 ， 正 在
2.4 进程－并发示例
• 3个进程并发执 行的图示，假设 处理机正在执行 A
第14页/共54页
• 程序计数器（PC Program counter）：为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能 够连续地执行下去，程序计数器（指令计数器）在程序开始执行前，必须将它的起始 地址，即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC，因此程序计数器（PC）的内 容即是从内存提取的一条指令的地址。当执行指令时，CPU将自动修改PC的内容， 即每执行一条指令PC增加一个量，这个量等于指令所含的字节数，以便使其保持的 总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的，所以修改 的过程通常只是简单的对PC加1。
第19页/共54页
导致进程状态转换的事件类型
• 状态转换：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，基本状态可以依据一 定的条件相互转换
• 导致进程状态转换的事件类型
• NuLL 新建：创建执行一个程序的新进程 • 新建 就绪：OS准备好了接纳一个进程，进程进入内存，为该进程分配除
• 现在的操作系统多为并发执行，具有许多新的 特征。引入并发执行的目的是为了提高资源利 用率。
第1页/共54页
• 2.程序的并发执行
• 程序的并发执行:指一组在逻辑上互相独立的程 序或程序段在执行时间上客观上互相重叠，即 一个程序或程序段的执行尚未结束，另一个程 （段）的执行已经开始的方式。
• 并发执行的特征
处理机之外的一切资源。 • 就绪 运行：OS调度程序从就绪队列选择一个新的进程运行（占据CPU）
第20页/共54页
• 运行 就绪：
• 运行进程用完了时间片，不得不让出处理 机的使用权
• 运行进程被更高优先级进程中断（被更高 优先级进程剥夺了处理机），因为一高优 先级进程处于就绪状态
• 运行阻塞：当一进程等待某一事件的发生时，如：OS尚未完成系统服务调 用、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)
CPU
10
15
20
30
40
B
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
10
20
25
30
40
t(s) t(s)
在顺序环境下，A先执行，B再 执行
CPU利用率= 40/80 = 50% DEV1利用率= 15/80
=18.75% D E V 2 利 用第率7页/共=542页5 / 8 0
A
CPU
DEV1
• 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,
不受外界影响。 • 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。
(程序执行结果的确定性，程序运行结果与程序执行速度无关，只要初始 状态相同，结果应相同)
DEV2 CPU DEV2
10
20
25
30
40
t(s)
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二 、进程 进程2 .：1一进个程具定有一义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。简言之，进程是程序的一次执行 活动。在现在操作系统中，用户程序以进程方式占用系 统资源。 进程由以下几个方面组成：
1）一个可执行程序，包括初始代码和数据
第15页/共54页
进程的轨迹（trace）：一个进程的执行指令序列， 用于描述单个进程的行为。
单 进 程 的 轨 迹第16页/共54页
3进程并发 执行的轨 迹：理解 处理器的 行为，如 何在三个 进程间交 替规执定行：每 个进程仅 允许最多 连续执行6 个指令周 期，之后 被中断(避 免独占）
A
• 并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推 进
• 异步性：每个进程都以其相对独立的不可预知的
速度向前推进
第11页/共54页
进程控制块（process control • b由lo操ck作,P系C统B管) 理控制进程而使用的标识和特性
信息集合称之为进程控制块（process control block,PCB),每个进程对应一个PCB。
的，并发执行） • 提交一个程序执行
• 父进程、子进程、进程树
第25页/共54页
进程何时中止?
程序执行Halt指令
用户退出登录 进程执行一个中止服务请求 出错及失败因素
第26页/共54页
进程中止的原因
正常结束 给定时限到 缺少内存 存储器出界 保护性出错
• 例子: 写只读文件
算术错 超出时间
• 进程等待超过对某事件的最大值
3）短程调度（低级调度、进程调度、分派程序 dispatcher )：决定就绪队列中哪个进程将获得 处理机。选择哪个进程在处理机上执行，执行最 频繁）
dispatcher B
I/O请求
C
第17页/共54页
dispatcher A
dispatcher C
2.5 进程的状态
• 新建状态(new)：刚刚创建的进程，辅存中。 • 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。既一个进程获得了除处理机之外的一 切所需资源。位于“就绪队列”中 • 执行态（Running） ：进程占有了包括CPU在内的全部资源，正在CPU上运行。 在单机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。
• 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；
第10页/共54页
2.2 进程特征
• 动态性：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 进程对应程序的执行 • 进程是动态产生，动态消亡的 • 进程在其生命周期内，在基本状态之间转换
• 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；
一个PCB包含以下信息：
1）进程标识信息：本进程的标识；本进程的产生 者标识等。
2）进程运行的现场信息：进程运行所需的数据或 地址寄存器等。
3）进程控制信息：进程的状态信息、进程优先级、 进程存储管理信息等。
进程执行完后，进程从系统退出，其所对应的PCB 也随之消失
第12页/共54页
2.3 进程-与程序的区别
第31页/共54页
处理器调度的准则
• 面向用户的准则
• 响应时间 (min)： • 周转时间(min) （结束时间-进入系统时间）：从进入系统直至完成所
经历的时间。
• 面向系统的准则
• 吞吐量(max)：系统在单位时间内完成的作业数。 • CPU利用率(max) • 公平 • 资源的平衡使用 • 系统开销 (min)
第23页/共54页
2.8 进程操作－创建和终止
• 创建进程
• 给新进程分配一个唯一的PID：在基本表中增加一个项目 • 给进程分配空间：进程映像、PCB • 初始化PCB • 设置正确的连接：置入相应队列中 • 创建或扩充其他数据结构：如记帐文件等
第24页/共54页
• 导致进程创建的事件
• 新的批作业（批处理系统中） • 交互登录（分时系统） • OS为提供一项服务而创建 • 由已有的进程生成（用户进程规定创建
• 创建新进程后：
• 父进程与子进程并发执行
第29页/共54页
三、 CPU对进程的调度
多道程序的关键是调度:对CPU资源进行合理的 分配使用，以提高处理机利用率，并使各用户公 平地得到处理机资源。 处理机调度是OS的重要功能之一。
WHAT：按什么原则分配CPU —进程调度算法
WHEN：何时分配CPU —进程调度的时机