操作系统第二章

Reladdr 先执行
top
top a b
执行top = top＋1后中 断
Getaddr 接着执行
top
a b
a b
e
f
e
f
e
f
2015/12/30
第二章 进程管理
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程序并发执行的特点

例：程序A、B，共享变量N，程序A，只有一个语 句N:=N+1；程序B由两个语句Print(N)，N=0组成。 两个程序以不同速度运行，可能出现三种情况：

N:=N+1在Print(N)和N=0之前，此时N值分为N+1,N+1, 0 N:=N+1在Print(N)和N=0之后，此时N值分为N, N:=N+1在Print(N)和N=0之间，此时N值分为N, 0, 1 N+1, 0
问题：并发与并行的区别是什么？
2015/12/30 第二章 进程管理 13

顺序执行模式下的系统工作效率

系统总运行时间：80 CPU使用效率：CPU占用时间 / 总时间 ＝ 40/80 = 50% DEV1使用效率：15 / 80 ＝ 18.75% DEV2使用效率：25 / 80 = 31.25%

并发执行模式下的系统工作效率

系统总运行时间：45 CPU使用效率：40 / 45 = 89% DEV1使用效率：15 / 45 = 33% DEV2使用效率：25 / 45 ＝ 55.6%
2015/12/30 第二章 进程管理 16
进程的引入
并发执行的各程序段由于同时存在于主存中，共享软硬件资 源，造成其执行结果受执行速度影响的局面。 在多道程序系统所带来的复杂环境中，程序段具有了并发、 制约、动态的特性，原来的程序概念，难以刻画系统中的情况。 程序本身完全是静态的概念 程序概念也反映不了系统中的并发特性 为了控制和协调各程序段执行过程中的软硬件资源共享和竞 争，必须有一个描述各程序执行过程和共享资源的基本单位。 （这个单位被称为进程，或任务task）
2015/12/30 第二章 进程管理 8
程序的并发执行
I1 P1
I2 O1 P2 I3 O2 P3 O3
所谓程序的并发 执行是指：若干个程 序同时在系统中执行， 这些程序的执行在时 间上是重叠的，一个 程序的执行尚未结束， 另一个程序的执行已 经开始。
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第二章 进程管理
程序的并发执行
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五状态进程模型
增加了‚创建‛、‚终止‛两种状态 创建状态(New)：创建一个进程要通过两个步骤：首先，为 一个新进程创建PCB，并填写必要的管理信息；其次，把该 进程转入就绪状态并插入就绪队列中。当一个新进程被创建 时，系统已为其分配了PCB，填写了进程标识等信息，但由 于该进程所必需的资源或其他信息没有获得，进程自身还未 进入主存，即创建工作尚未完成，进程还不能被调度运行。 引入创建状态，是为了保证进程的调度必须在创建工作完 成后进行，以确保对PCB操作的完整性。同时，也增加了管 理的灵活性，操作系统可以根据系统性能或主存容量的限制， 推迟创建状态进程的提交。对于处于创建状态的进程，获得 了其所必需的资源，以及对其PCB初始化工作完成后，进程 状态便可由创建状态转入就绪状态了。
进程的特征

结构特征：由程序段、数据段、进程控 制块三部分组成；

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；
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第二章 进程管理
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进程的特征

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。
第二章 进程管理
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 进程的基本概念 进程控制 进程同步 经典进程的同步问题 管程机制 进程通信 线程
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第二章 进程管理
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2.1 进程的基本概念

2.1.1 前趋图 2.1.2 程序的顺序执行及其特征 2.1.3 程序的并发执行及其特征 2.1.4 进程的特征与状态 2.1.5 进程控制块
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五状态进程模型
结束状态(Exit)：进程的结束也要通过两个步骤：首 先等待操作系统进行善后处理，然后将其PCB清零，并 将PCB空间返还系统。当一个进程到达了自然结束点， 或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结， 或是被其他有终止权的进程所终结，它将进入结束状态。 进入结束状态的进程以后不能再执行，但在操作系统中 依然保留一个纪录，其中保存状态码和一些计时统计数 据，供其他进程收集。一旦其他进程完成了对结束状态 进程的信息提取之后，操作系统将删除该进程。 对于一个进程来说‚创建状态‛和‚结束状态‛只有 一次。
并行与并发的概念差别

并行（Parallel）

同一时刻，两个事物均处于活动状态

并发（Concurrency）

宏观上存在并行特征，微观上存在顺序性

同一时刻，只有一个事物处于活动状态
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第二章 进程管理
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并发所带来的效率提升
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第二章 进程管理
15
并发所带来的效率提升
S1 S2 S3
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第二章 进程管理
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程序顺序执行的特点



顺序性：一个程序开始执行必须要等到前 一个程序已执行完成。 封闭性：程序一旦开始执行，其计算结果 不受外界因素影响。 可再现性：程序的结果与它的执行速度无 关（即与时间无关），只要给定相同的输 入，一定会得到相同的结果。
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第二章 进程管理
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多道程序系统中程序执行环境的变化
计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序（批处理系统，分时系 统、实时系统、网络与分布式系统）。这样的执行环境具有三个特点： 独立性:每道程序都是逻辑上独立的，之间不存在制约关系。 随机性：程序和数据的输入与开始执行时间都是随机的。这种随机性 形成了操作系统必须同时处理多道程序的客观要求。 资源共享 硬件资源：CPU、输入输出设备，存储器 软件资源：各种例行程序、各种共享的数据 多道程序环境下执行程序的道数 > 计算机系统中CPU的个数 单CPU中，则有N－1道程序处在等待CPU的状态 输入输出设备有限将导致这些设备被共享、内存有限将导致内存被共 享
2015/12/30 第二章 进程管理 4
程序的顺序执行
程序的顺序执行如图
I1 P1 O1
I2
P2
O2
作业1
作业2
在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独 占系统中所有资源，其执行不受外界影响。一道程 序执行完后另一道才能开始。
2015/12/30 第二章 进程管理 5
程序的顺序执行
一个程序的多条语句的顺序执行： S1: a:=x+y S2: b:=a-5 S3: c:=b+1
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进程的三种基本状态

等待状态（Wait / Blocked）：若一进 程正在等待某一事件发生（如等待输 入输出工作完成），这时，即使给它 CPU ，它也无法运行，称该进程处于 等待状态、阻塞、 睡眠、封锁状态。 阻塞队列根据阻塞原因可以设臵多个 队列。
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进程同程序的比较


进程更能真实地描述并发，而程序不能； 进程是由程序和数据、进程控制块三部分组 成的； 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有 同一程序同时运行于若干个数据集合上，它 将属于若干个不同的进程。也就是说同一程 序可以对应多个进程
2015/12/30 第二章 进程管理 22
一个程序的多条语句的并发执行：
S1: a:=x+2
S2: b:=y+5 S3: c:=a+b S4: d:=c+6
S2 S1 S3 S4
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第二章 进程管理
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程序并发执行的特点

间断性
‚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

失去程序的封闭性
多个程序共享系统中的资源，这些资源的状态将由多个程序来改变。

就绪队列：常按照进程优先权的大小排列，把
优先权高的进程的PCB排在队列前面。
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第二章 进程管理
进程的三种基本状态

运行状态（ Running ）：正在运行的进 程所处的状态为运行状态。

单处理机系统，任一时刻只有一个进程 处于运行状态 多处理机系统有多个进程处于运行状态
只有处于就绪状态的进程经调度选中之 后才可进入执行状态
输出
饭菜
干净衣服
输出
做饭进程
2015/12/30 第二章 进程管理
洗衣进程
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进程同程序的比较


程序是指令的有序集合，其本身没有任何运 行的含义，是一个静态的概念。而进程是程 序在处理机上的一次执行过程，它是一个动 态的概念； 程序可以作为一种软件资料长期存在，而进 程是有一定生命期的。程序是永久的，进程 是暂时的；

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第二章 进程管理
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进程的定义
进程的概念是60年代初首先由MIT的MULTICS系统和 IBM公司的TSS/360系统引入的。进程有很多各式各样的定义， 如：
（1）进程是可以并发执行的计算部分 （2）进程是一个独立的可以调度的活动 （3）进程是一个抽象的实体，当它执行某个任务时，将要分配和释放各种 资源 （4）行为的规则叫程序，程序在处理机上执行的活动称为进程。 （5）一个进程是一系列逐一执行的操作，而操作的确切含义则有赖于以何 种详尽程度来描述进程。