第二章 进程的描述与控制及线程基本知识

进程控制的几个过程
创建、撤消进程以及完成进 程各状态之间的转换。由具有特 定功能的原语完成。
进程创建原语 进程撤消（终止）原语 阻塞原语 唤醒原语 挂起原语 激活原语
2.3.2 进程的创建
A
1. 进程图(Process Graph) B
C
进程图是一棵有向
树(如下图)，结点代
表进程。一棵树表
D
E
F
序是相对长久的; • 程序可作为软件资源长期保存，进程只是一次执
行过程，是暂时的； • 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有。
2、进程的特征
• 动态性：进程的实质是程序的一次执行过程， 进程是动态产生，动态消亡的，进程在其生命周期内， 在三种基本状态之间转换
• 并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推进 • 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也
S2→S3, S3→S2 （不能存在循环，不可能满足）
2.1.2 程序的顺序执行及其特征
1. 程序的顺序执行
仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。 例如，在进行计算时，总须先输入用户的程序和数据，然后 进行计算，最后才能打印计算结果。
S1: a ∶=x+y;
S2: b ∶=a-5;
I1
• 正常结束 • 异常结束（越界错、保护错、特权指令错、非法
指令、运行超时、I/O故障等） • 外界干预（操作员干预、父进程请求和父进程终
2.1.3 程序的并发执行及其特征
1. 程序的并发执行
I1
I2
I3
I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
Ii→Ci，Ii→Ii+1, Ci→Pi, Ci→Ci+1，Pi→Pi+1
而Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1之间，可以 并发执行。
对于具有下述四条语句的程序段进行分析,画出前趋图。
是系统分配资源和调度的独立单位； • 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的
间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前 推进
2.2.2 进程的基本状态及转换
1. 进程的三种基本状态
1) 就绪(Ready)状态 2) 3) 阻塞状态
3. 为了管理的需要，引入了另外两种状态：
1）创建状态 为了保证进程的调度必须在创建工作完成后进行，
2. 引起创建进程的事件
(1) 用户登录。 (2) 作业调度。 (3) 提供服务。 (4) 应用请求。
创建原语
• 功能：创建一个 具有指定标识符 进程
• 入口信息：进程 标识符、优先级、 进程开始地址、 初 始 CPU 状 态 、 资 源清单等。
2.3.3 进程的终止
1. 引起进程终止(Termination of Process)
程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”。
进程与程序的区别
• 程序是静态的，进程是动态的; • 进程更能真实地描述并发, 是系统分配调度的独
立单位，能与其他进程并发执行，而程序不能; • 进程是由代码、数据和pcb构成，程序只有代码
和数据; • 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的；而程
C1
P1
I2
C2
P2
S3: c ∶=b+1;
S1
S2
S3
(a) 程序的顺序执行
I:输入操作 C:计算操作 P:打印操作。
(b) 三条语句的顺序执行
习题：试画出下面5条语句的前驱图。
S1: a=5-x S2: b=a*x S3: c=4*x S4: d=c+b S5: e=d+3
S1
S3
S2 S4
S5
→={(Pi, Pj)|Pi must complete before Pj may start}, 如果(Pi, Pj)∈→,可写成Pi→Pj，称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直 接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点 (Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。
同时为了增加管理的灵活性，OS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 ，产生进程的 创建状态。
2）终止状态
➢进程到达自然结束点，出现无法克服的错误，被操作系 统所终结 ➢等待操作系统善后处理，将其PCB清零，将PCB空间返 还系统 ➢进入终止态的进程不能再执行，在操作系统中保留一个 记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程 收集 ➢其他进程完成了对其信息的提取之后，操作系统将删除 该进程，即将其PCB清零，并将该空白PCB返还系统
线性方式——即将系统中所有的PCB都组织在一张线性表中， 将该表的首址存放在内存的一个专用区域中。该方式实现简 单、开销小，但每次查找时都需要扫描整张表，因此适合进 程数目不多的系统。图2-10示出了线性表的PCB组织方式。
• 图2-10 PCB线性表示意图
按链接方式组织PCB
执 行 指针 就 绪 队列 指 针 阻 塞 队列 指 针 空 闲 队列 指 针
S1: a∶=x+2 S2: b∶=y+4 S3: c∶=a+b S : d∶=c+b
S1
S3
S4
S2
2. 程序并发执行时的特征
1) 间断性：程序并发执行时，由于它们共享资源或程序之间相互合作完 成一项共同任务，因而使程序之间相互制约。
2) 失去封闭性 ：程序在并发执行时，多个程序共享资源，因而资源的状 态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。
• 内核包括一些与硬件紧密相关的模块、常用设备驱动断处理 • 时钟管理 • 原语操作
原语：是由若干条机器指令所构成，用以 完成特定功能的一段程序 。是原子性操作， 不可分割。
OS内核功能： 2、资源管理功能 • 进程管理 • 存储器管理 • 设备管理
图 2-12 按索引方式组织PCB
2.3 进程控制
进程控制的主要任务： 进程控制是对系统中所有进程从产
生、存在到消亡的全过程实行有效的管 理和控制。进程控制一般是由操作系统 的内核来实现，内核在执行操作时，往 往是通过执行各种原语操作来实现的。
2.3.1操作系统内核
• 内核：加在硬件上的第一层软件，通过执行各种原语 操作来实现各种控制和管理功能，具有创建、撤消、 进程通信、资源管理的功能。
P CB1 4 P CB2 3 P CB3 0 P CB4 8 P CB5 P CB6 7 P CB7 9 P CB8 0 P CB9 1
…
图 2-11 PCB链接队列示意图
按索引方式组织PCB (表)
执行 指针 就绪 表指针 阻塞 表指针
就绪 索引表 阻塞 索引表
P CB1 P CB2 P CB3 P CB4 P CB5 P CB6 P CB7
3) 不可再现性：由于失去了封闭性，也将导致其失去可再现性。
例如，有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。程序A每执行一次时， 都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一次时， 都要执行Print(N)操作，然后再 将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。 可能出现三种情况：
(1) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之前，此时得到的N值分别为n+1, n+1, 0 (2) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此时得到的N值分别为n, 0, 1。 (3) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之间，此时得到的N值分别为n, n+1, 0。
P={P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9} →={ (P1, P2), (P1, P3), (P1, P4), (P2, P5), (P3, P5), (P4, P6), (P4, P7),
(P5, P8), (P6, P8), (P7, P9), (P8, P9)} 应当注意，前趋图中必须不存在循环，但在图2-2(b)中却有着
• 程序的顺序执行：一个具有独立功能的程 序独占处理机，直至得到最终结果的过程 。
2.1.1 前趋图
前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记为 DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的前后 关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至 一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的 偏序(Partial Order)或前趋关系(Precedence Relation)“→”。
2. 程序顺序执行时的特征
• 顺序性：一个程序的各个部分的执行，严 格地按照某种先后次序执行；
• 封闭性：程序在封闭的环境下运行，即程 序运行时独占全部系统资源；
• 可再现性：只要程序执行时的环境和初始 条件相同，当程序重复执行时，不论它是 从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走” 地执行，都将获得相同的结果。 程序顺序执行的特性，为程序员检测 和校正程序的错误带来很大方便。
1、操作系统中用于管理控制的数据结构
系统中，对每个资源和每个进程都设置了 一个数据结构，用于表征其实体 ，称之为：资 源信息表和进程信息表。
Os管理的这些数据结构分为四类：内存表 、设备表、文件表、进程表。
• 图2-9 操作系统控制表的一般结构
2、 进程控制块的作用
•作为独立运行基本单位的标志。 •能实现间断性运行方式。 •提供进程管理所需要的信息。 •提供进程调度所需要的信息。 •实现与其它进程的同步与通信。
PCB： 进程标识符 处理机状态
进程调度信息
进程控制信息
外部标识 内部标识
通用寄存器 指令寄存器 PSW 用户栈指针 进程状态 进程优先级 调度所需信息 事件 程序和数据的地址 进程同步和通信机制 资源清单 进程链接指针
4. 进程控制块的组织方式
为了有效地对进程控制块进行管理， 应该采用适当的方式把它们组织起来。 目前常用的组织方式有以下三种： • 线性方式组织PCB • 按链接方式组织PCB • 按索引方式组织PCB
2.2 进程的描述
2.2. 1进程的特征和定义
• 程序段、数据段、PCB三部分构成了进程实体，简称 “进程”。
较典型的进程定义有 (1) 进程是程序的一次执行。 (2) 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。 (3) 进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和
调度的一个独立单位。 在引入了进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进
五状态进程模型
创建
终止
2.2.3. 有的系统有时希望能人为地把进程挂起，使之处于静止 状态，以便研究其执行情况或对它进行修改。
1) 引入挂起状态的原因 (1) 终端用户的请求。 (2) 父进程请求。 (3)负荷调节的需要。 (4)操作系统的需要。
2) 进程状态的转换
(1) 活动就绪→静止就绪。 (2) 活动阻塞→静止阻塞。 (3) 静止就绪→活动就绪。 (4) 静止阻塞→活动阻塞。
每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所 含有的程序量或结点的执行时间。
P2
P5
S1
P1
P3
P8
P9
P6
S2
P4 S3
P7
(a) 具有九个结点的前趋图
(b) 具有循环的前趋图
对于图 2-2(a)所示的前趋图， 存在下述前趋关系： P1→P2, P1→P3, P1→P4, P2→P5, P3→P5, P4→P6, P4→P7, P5→P8, P6→P8, P7→P9, P8→P9
第二章 进程的描述与控制 及线程基本知识
2.1 前趋图和程序执行 2.2 进程的描述 2.3 进程控制 2.4 进程同步 2.5 经典进程的同步问题 2.6 进程通信 2.7 线程(Threads)的基本概念 2.8 线程的实现
2.1前趋图和程序执行
引入概念
• 程序：一个在时间上按严格次序、顺序执 行的操作序列。
G
H
示一个家族，根结
点为该家族的祖先
(Ancestor)。
I
J
K
L
M
图 2-13 进程树
进程图和前趋图之间的差异
• 前趋图描述的是任务(或进程)之间的前趋 关系；只有在前趋进程完成后，其后继进 程才能运行；
• 在进程图中，创建者和被创建者可以并发 执行，也可以父进程等待其所有的子进程 结束后再执行，这完全取决于创建原语和 创建者的需要。
请求 I/O
活动 就绪
执行 激活 挂起
挂 起
静止 就绪
释放
释放
激活
活动 阻塞
挂起
静止 阻塞
七状态进程模型
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？ 等待—运行； 就绪—等待
2.2.4 进程管理中的数据结构