操作系统第二章2

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（1）进程是程序的一次运行活动。 进程是程序的一次运行活动 一次运行活动。 （2）进程的运行活动是建立在某个数据集合之上的。 进程的运行活动是建立在某个数据集合之上的。 某个数据集合之上的 获得资源的基础上从事自己的运行活动 （3）进程要在获得资源的基础上从事自己的运行活动。 进程要在获得资源的基础上从事自己的运行活动。
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在单道程序设计环境下，系统具有如下特点： 特点： 在单道程序设计环境下，系统具有如下特点 （1）资源的独占性：任何时候，位于内存中的程序可 资源的独占性：任何时候， 以使用系统中的一切资源， 以使用系统中的一切资源，不可能有其他程序与之竞 争。 （2）执行的顺序性：由于内存中每次只有一个程序， 执行的顺序性：由于内存中每次只有一个程序， 因此各个程序是按次序执行 按次序执行的 即做完一个以后， 因此各个程序是按次序执行的，即做完一个以后，再 做下一个。绝对不可能出现在一个程序运行过程中， 做下一个。绝对不可能出现在一个程序运行过程中， 又夹杂进另一个程序执行的现象存在。 又夹杂进另一个程序执行的现象存在。 （3）结果的再现性：只要执行环境和初始条件相同， 结果的再现性：只要执行环境和初始条件相同， 重复执行一个程序，获得的结果总是一样的 总是一样的。 重复执行一个程序，获得的结果总是一样的。
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第2章 处理机管理
计算机系统中，最宝贵的资源是CPU。 计算机系统中，最宝贵的资源是CPU。为了提 高它的利用率，需要引入多道程序设计的概念。 高它的利用率，需要引入多道程序设计的概念。 当内存储器中同时有多个程序存在时， 当内存储器中同时有多个程序存在时，如果不 多个程序存在时 对人们熟悉的“程序”概念加以扩充， 对人们熟悉的“程序”概念加以扩充，就无法刻画 多个程序共同运行时系统呈现出的特征 多个程序共同运行时系统呈现出的特征。 特征。 因此，在本章将给出操作系统中的重要概念 因此，在本章将给出操作系统中的重要概念： 重要概念： “进程”。它将是在多道程序运行环境下，系统资 进程” 它将是在多道程序运行环境下 在多道程序运行环境下， 基本单位。 源分配和独立运行的基本单位 源分配和独立运行的基本单位。
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在多道程序设计环境下，系统具有如下特点。 在多道程序设计环境下，系统具有如下特点。 （1）执行的并发性：从宏观上看，同时在内存的多个程序都在执 都在执 执行的并发性：从宏观上看，同时在内存的多个程序都在 行着， 按照自己程序规定的步骤向前推进 从微观上看， 程序规定的步骤向前推进； 行着，在按照自己程序规定的步骤向前推进；从微观上看，由于 CPU在任何时刻只能执行一个程序 因此这些程序轮流占用CPU 在任何时刻只能执行一个程序， CPU， CPU在任何时刻只能执行一个程序，因此这些程序轮流占用CPU， 交替地执行着。 交替地执行着。 我们把“逻辑上相互独立的程序，在执行时间上相互重叠 独立的程序 重叠， 我们把“逻辑上相互独立的程序，在执行时间上相互重叠， 一个程序的执行还没有结束，另一个程序的执行已经开始” 一个程序的执行还没有结束，另一个程序的执行已经开始”的这 特性，称为程序执行的并发性 并发性。 种特性，称为程序执行的并发性。 （2）相互的制约性：内存既然运行着多个程序，它们又共享系统 相互的制约性：内存既然运行着多个程序， 内的资源，相互之间必然会呈现出各种各样的制约。一种是间接 内的资源，相互之间必然会呈现出各种各样的制约。一种是间接 ），一种是直接制约关系（ 制约关系（数量有限），一种是直接制约关系 等待结果） 制约关系（数量有限），一种是直接制约关系（等待结果） 。 （3）状态的多变性：由于诸多程序在系统中并发执行，它们之间 状态的多变性：由于诸多程序在系统中并发执行， 在运行过程中存在着各种各样的制约关系，造成内存中每一个程 在运行过程中存在着各种各样的制约关系， 序的状态总处于不断变化之中。 不断变化之中 序的状态总处于不断变化之中。
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在多道程序设计环境下，“程序”具有了与单 在多道程序设计环境下， 程序” 道程序设计环境下截然不同的特性。 道程序设计环境下截然不同的特性。 一方面为了保持程序 是一个在时间上 一方面为了保持程序“是一个在时间上严格有 为了保持程序“ 时间上严格有 序的指令集合”这个概念的原有含义，另一方面为 序的指令集合”这个概念的原有含义，另一方面为 了刻画多个程序共同运行时呈现出的这些特征 共同运行时呈现出的这些特征， 了刻画多个程序共同运行时呈现出的这些特征，因 此在操作系统中， 程序”为基础， 此在操作系统中，以“程序”为基础，又引入了 进程”这一新的概念。 “进程”这一新的概念。
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“程序执行的顺序性”被打破了 程序执行的顺序性” 程序执行的顺序性
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“结果的再现性”被打破了。 结果的再现性”被打破了。 举例来说，为了了解某单行道的交通流量，在路 举例来说，为了了解某单行道的交通流量， 口安放一个监视器 功能是有车通过该路段时， 口安放一个监视器，功能是有车通过该路段时，就向 监视器， 计算机发送一个信号。 计算机发送一个信号。 为计算机系统设计两个程序：程序A的功能是接 为计算机系统设计两个程序：程序A 收到监视器的信号时，就在计数单元COUNT上加1； 收到监视器的信号时，就在计数单元COUNT上加 上加1 程序B的功能是每隔半小时，将计数单元COUNT的值 程序B的功能是每隔半小时，将计数单元COUNT的值 初始时为0 打印输出，然后清零。COUNT初始时为0，两个程序 打印输出，然后清零。COUNT初始时为 的描述如图2 所示。 的描述如图2-2所示。
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本章着重讲述五个方面的内容： 本章着重讲述五个方面的内容：
（1）进程概念的引入； （2）进程的组成与管理； （3）处理机的调度算法； （4）线程概念的引入； 线程概念的引入； （5）处理机的二级调度与作业管理。
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2.1 进
程
2.1.1 多道程序设计
所谓“程序”，是一个在时间上严格有序的指令集合。 有序的指令集合。 所谓“程序” 是一个在时间上严格有序的指令集合 各种操作， 程序规定了完成某一任务时，计算机所需做的各种操作 程序规定了完成某一任务时，计算机所需做的各种操作， 以及这些操作的执行顺序 执行顺序。 以及这些操作的执行顺序。 在没有引入多道程序设计的概念之前，只要一提到程 在没有引入多道程序设计的概念之前， 独占使用系统中的一切资源 就表明它独占使用系统中的一切资源，如处理机（ 序，就表明它独占使用系统中的一切资源，如处理机（指 它里面的指令计数器、累加器、各种寄存器等）、 ）、内存储 它里面的指令计数器、累加器、各种寄存器等）、内存储 外部设备以及软件等，没有其他竞争者与它争夺与共 器、外部设备以及软件等，没有其他竞争者与它争夺与共 享。
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2.1.2 进程的定义
“进程（Process）”是现代操作系统设计中 进程（Process） 的一个基本概念 也是一个管理实体 基本概念， 管理实体。 的一个 基本概念 ， 也是一个 管理实体 。 它最早被 用于美国麻省理工学院的MULTICS系统和 系统和IBM的 用于美国麻省理工学院的MULTICS系统和IBM的 CTSS/360 CTSS/360 系 统 ， 不 过 那 里 称 其 为 “ 任 务 Task） 其实是两个等同的概念。 等同的概念 （Task）”，其实是两个等同的概念。
（1）系统进程之间的相互关系由操作系统负责协调，以便有利于增加系统 系统进程之间的相互关系由操作系统负责协调 操作系统负责协调， 并行性，提高资源的整体利用率 用户进程之间的相互关系要由用户 利用率； 的并行性，提高资源的整体利用率；用户进程之间的相互关系要由用户 自己（在程序中）安排。 自己（在程序中）安排。 不过，操作系统会向用户提供一定的协调手段 以命令的形式）。 协调手段（ 不过，操作系统会向用户提供一定的协调手段（以命令的形式）。 （2）系统进程直接管理有关的软、硬件资源的活动；用户进程不得插手资 系统进程直接管理有关的软、硬件资源的活动；用户进程不得插手 直接管理有关的软 不得插手资 申请， 源管理。在需要使用某种资源时，必须向系统提出申请 由系统统一调 源管理。在需要使用某种资源时，必须向系统提出申请，由系统统一调 分配。 度与分配。 （3）系统进程与用户进程都需要使用系统中的各种资源，它们都是资源分 系统进程与用户进程都需要使用系统中的各种资源， 都需要使用系统中的各种资源 高于用户进程。 配与运行调度的独立单位，但系统进程的使用级别，应该高于用户进程 配与运行调度的独立单位，但系统进程的使用级别，应该高于用户进程。
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因为现在是多道程序设计环境 程序A和程序B 因为现在是多道程序设计环境，程序A和程序B同时在 多道程序设计环境， 内存。当然，内存中可能还会有其他的程序存在。 内存 。当然 ，内存中可能还会有其他的程序存在。 由于执 行的顺序性被打破了，这些程序的执行过程被交织在一起 交织在一起， 行的顺序性被打破了，这些程序的执行过程被交织在一起， 没有任何规律可循。为了突出，单单挑出程序A和程序B 没有任何规律可循。为了突出，单单挑出程序A和程序B来 研究。 研究。 在它们之间，不排除会有这样的执行顺序发生： A1→A2 → B1 → B2 → A1 → A2 → B3，即在程序B 即在程序B 做了B 没有直接执行B 而是中间插入了程序A 做了B1和B2后，没有直接执行B3，而是中间插入了程序A 的两个操作，这就出现了问题 出现了问题。 的两个操作，这就出现了问题。
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在多道程序设计环境下，内存中允许有多个程序 在多道程序设计环境下，内存中允许有多个程序 存在，它们轮流地使用着CPU。这时， 轮流地使用着 存在，它们轮流地使用着CPU。这时，上述的三个特 点就都荡然无存了。 点就都荡然无存了。 “资源的独占性”被打破了。 资源的独占性”被打破了。
比如，内存不再只由一个程序占用， 比如，内存不再只由一个程序占用，而是被分配给若干 个程序使用；又比如，原来内存中的程序进行输入 输出时， 内存中的程序进行输入/ 个程序使用；又比如，原来内存中的程序进行输入/输出时， CPU就只能空转 以等待输入/输出操作的完成。现在， CPU就只能空转，以等待输入/输出操作的完成。现在，当程 就只能空转， 等待输入/输出操作完成时， 可以把CPU分配给 分配给内存中 序A等待输入/输出操作完成时，就可以把CPU分配给内存中 另一个可运行的程序 去使用。 可运行的程序B 的另一个可运行的程序B去使用。 这样，CPU在运行程序 在运行程序B 外部设备在为程序A服务。 这样，CPU在运行程序B，外部设备在为程序A服务。图 2-1(b)中的时间区间（4~6）正好是这种情况。 1(b)中的时间区间 4~6）正好是这种情况。 中的时间区间（