操作系统精髓与设计原理-第3章 进程描述和控制
第3章 进程的描述与控制
3．1．2 程序并发执行
程序的并发执行示意图：
I1
…..
C1
…..
P1
…..
3．1．2 程序并发执行
程序并发执行时的特征： 间断性：并发执行的程序，由于相互之间的依赖和制约关 系，将不是连续执行而是处于“执行―暂停―再执行”的 活动规律中，即它有时处于执行状态，有时又由于某种原 因而暂停执行，当这种原因消失又恢复至执行状态。因此， 程序中前一个动作的结束并不一定意味着后一个动作的开 始，程序的执行失去连续性而呈现出间断性特征。 失去封闭性：程序在并发执行时，多道程序共享系统的各 类资源，由于资源数量有限，必然导致并发程序对资源的 竞争从而改变程序执行的速度。这样，每个程序的执行都 会受到其它程序的影响，并发程序的执行结果与其执行的 相对速度有关，程序的的并发执行，仅用程序的概念来描述 程序的执行是不准确的。为此，人们引入了“进程” 的概念来描述程序的执行。
进程引入是为了更好地描述程序并发执行的动态特征
3．2．1 进程定义
“进程是一个具有一定独立功能的程序关于某 个数据集合的一次运行活动，进程是系统进行资源 分配和调度的一个独立单位。”（1978年全国操作 系统会议）。 • 把编译程序P，与服务对象联系起来，P为甲服务就说构 成进程P甲，P为乙服务则构成进程P乙。两个进程虽共 享程序P，但它们可同时执行且彼此按各自的速度独立 执行。可见程序与计算(程序的执行)不再一一对应
3．2．3 进程与程序的区别
进程的结构性：进程与程序的组成结构不同。进程 的组成包含程序、数据和进程控制块，这些不仅记 录了进程的执行内容，同时也包含了进程的执行状 态信息。而程序是由算法策略、指令语句及执行数 据构成，其中主要描述的是执行逻辑问题，并不包 含程序执行中的过程问题。
操作系统 第3章
操作系统第3章在计算机的世界里，操作系统就像是一位幕后的大管家，默默地协调着各种硬件和软件资源，让计算机能够高效、稳定地运行。
这一章，咱们就来深入探讨一下操作系统中的一些关键概念和技术。
首先，让我们来聊聊进程管理。
进程可以理解为正在运行的程序的实例。
操作系统需要有效地管理这些进程，包括创建、调度、终止等操作。
比如说，当您同时打开多个应用程序时，操作系统会合理地分配 CPU 时间给每个进程，确保它们都能得到执行的机会，不会出现某个进程独占资源而导致其他进程“挨饿”的情况。
进程调度算法在其中起着至关重要的作用。
常见的调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等等。
先来先服务很直观，就是按照进程到达的先后顺序进行处理；短作业优先则会优先处理那些预计执行时间较短的进程，以提高系统的整体效率；时间片轮转则是给每个进程分配一段固定的时间片，时间一到就切换到下一个进程。
内存管理也是操作系统的重要职责之一。
计算机的内存资源是有限的，操作系统需要合理地分配和回收内存，以满足不同进程的需求。
这就涉及到内存分配算法，比如首次适应、最佳适应和最坏适应等。
虚拟内存技术的出现更是极大地扩展了计算机的可用内存空间。
它通过将一部分磁盘空间模拟成内存来使用，当内存不足时，将一些暂时不用的数据存放到磁盘中，需要时再重新调入内存，让用户感觉好像拥有了无限大的内存。
接下来，我们说一说文件系统。
文件是计算机中存储信息的基本单位，而文件系统则负责对文件进行组织、存储、检索和管理。
不同的操作系统可能采用不同的文件系统格式，比如Windows 常用的NTFS，Linux 常用的 EXT4 等。
文件系统中的目录结构就像是一个图书馆的书架分类，让我们能够快速找到所需的文件。
文件的读写操作也需要操作系统的支持，包括缓存机制、磁盘调度等，以提高文件访问的速度和效率。
设备管理也是操作系统不可忽视的一部分。
计算机中的设备种类繁多，如键盘、鼠标、打印机、硬盘等等。
操作系统--进程管理(描述与控制)
实例：Linux的进程控制块
Linux的进程控制块是Linux最复杂的数据结构之一，内容包 括进程调度、信号处理、进程队列指针、进程标识和用户标识、 定时控制、信号量处理、上下文切换、文件系统管理、内存管理、 进程状态和进程标志等等信息，累计约80多种属性。 Linux 的 进 程 控 制 块 （ 称 作 task_struct ， 在 include/linux/sched.h中定义）常驻内存，它集中了所有关于进程 个体特性的描述信息，是Linux实现任何系统功能的基础。2.4.0 版本中，每个task_struct结构占1680字节，在每个进程创建的时 候申请一个task_struct结构空间。
4
一、进程控制
——为作业创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行 过程中的状态转换。
二、进程同步
——对诸进程的运行进行协调。
三、进程通信
——实现在相互合作进程之间的信息交换。
四、调度
——作业调度：从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作 业，为它们分配必要的资源。
——进程调度：从进程的就绪队列中，按照一定的算法选出一新 进程，把处理机分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入运行。
10
进程 ：
可并发执行的程序在一个数据
集合上的运行过程。
11
进程 ：
可并发执行的程序在一个数据
集合上的运行过程。
12
进程与程序的区别与联系
进程是程序的一次动态执行活动，而程序是进程运
行的静态描述文本，一个进程可以执行一个/多个程
序； 同一程序也可被多个进程同时执行共享；
进程是一次执行过程，它是暂时存在的、动态地产
20
进程的特征：
动态性 ——进程有一定的生命期。表现为：进程由创建而产生，由调度 而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤消而消亡。 并发性 ——指多个进程实体，同存于内存中，能在一段时间内同时运行。 异步性 ——指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。 独立性 ——指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中 独立获得资源和独立调度的基本单位。 结构特征 ——进程实体是由程序段、数据段及进程控制块三部分组成。
操作系统第3章
操作系统第3章操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
在操作系统的发展历程中，每一章都承载着重要的概念和技术。
而这第 3 章，通常会聚焦于进程管理这个关键领域。
进程，简单来说，就是正在运行的程序。
当我们打开一个应用程序，比如浏览器或者文本编辑器，操作系统就会为其创建一个进程。
每个进程都有自己独立的内存空间、执行环境和资源需求。
进程的状态有多种，常见的包括就绪态、运行态和阻塞态。
就绪态意味着进程已经准备好运行，只等待 CPU 分配时间片；运行态则表示进程正在 CPU 上执行；阻塞态是指进程由于等待某个事件（如 I/O 操作完成）而暂时无法继续执行。
进程的调度是操作系统的核心任务之一。
操作系统需要根据一定的算法和策略，决定哪个进程获得 CPU 资源，以及分配多长时间。
常见的调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。
先来先服务算法按照进程到达的先后顺序进行调度，这种方式简单直观，但可能导致短作业等待时间过长。
短作业优先则优先调度执行时间短的进程，能有效减少平均等待时间，但可能对长作业不公平。
时间片轮转则将 CPU 时间划分成固定长度的时间片，每个进程轮流获得一个时间片执行，如果时间片用完进程还未完成，则重新回到就绪队列等待下次调度。
进程之间还存在着同步和互斥的问题。
同步是指多个进程为了完成某个共同的任务，需要在执行顺序上进行协调。
比如，一个进程负责生产数据，另一个进程负责处理数据，它们需要按照一定的顺序进行操作，以保证数据的正确性和完整性。
互斥则是指多个进程在访问共享资源时，需要保证同一时间只有一个进程能够访问，以避免数据的混乱和错误。
为了解决进程同步和互斥的问题，操作系统引入了一些机制，比如信号量、管程等。
信号量是一个整数变量，用于表示资源的数量。
进程通过对信号量的操作（P 操作和 V 操作）来实现同步和互斥。
管程则是一种更高层次的同步机制，它将共享资源和对资源的操作封装在一起，提供了更简洁和安全的同步方式。
《操作系统精髓与设计原理·第五版》习题答案
第1章计算机系统概述1.1、图1.3中的理想机器还有两条I/O指令：0011 = 从I/O中载入AC0111 = 把AC保存到I/O中在这种情况下，12位地址标识一个特殊的外部设备。
请给出以下程序的执行过程（按照图1.4的格式）：1.从设备5中载入AC。
2.加上存储器单元940的内容。
3.把AC保存到设备6中。
假设从设备5中取到的下一个值为3940单元中的值为2。
答案：存储器（16进制内容）：300：3005；301：5940；302：7006步骤1：3005－>IR；步骤2：3－>AC步骤3：5940－>IR；步骤4：3＋2＝5－>AC步骤5：7006－>IR：步骤6：AC－>设备61.2、本章中用6步来描述图1.4中的程序执行情况，请使用MAR和MBR扩充这个描述。
答案：1. a. PC中包含第一条指令的地址300，该指令的内容被送入MAR中。
b. 地址为300的指令的内容（值为十六进制数1940）被送入MBR，并且PC增1。
这两个步骤是并行完成的。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
2. a. 指令寄存器IR中的地址部分（940）被送入MAR中。
b. 地址940中的值被送入MBR中。
c. MBR中的值被送入AC中。
3. a. PC中的值（301）被送入MAR中。
b. 地址为301的指令的内容（值为十六进制数5941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
4. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
b. 地址941中的值被送入MBR中。
c. AC中以前的内容和地址为941的存储单元中的内容相加，结果保存到AC中。
5. a. PC中的值（302）被送入MAR中。
b. 地址为302的指令的内容（值为十六进制数2941）被送入MBR，并且PC增1。
c. MBR中的值被送入指令寄存器IR中。
6. a. 指令寄存器IR中的地址部分（941）被送入MAR中。
实验一进程控制与描述
死锁检测
死锁检测是通过检测系统状态是否满足死锁条件来确定系 统是否处于死锁状态。
死锁解除
死锁解除是当系统检测到死锁状态时采取措施来解除死锁 的过程。
资源有序分配法
资源有序分配法是一种预防死锁的方法，通过为每个资源 分配一个唯一的序号，并要求进程按照序号递增的顺序请 求资源来避免产生循环等待条件。
03 进程描述
实验一：进程控制与描述
目录
• 进程控制概述 • 进程控制机制 • 进程描述 • 实验步骤与操作 • 实验结果与分析
01 进程控制概述
进程的定义与特性
总结词
进程是程序的一次执行，具有动态性、 并发性、制约性、独立性和制约性等特 性。
VS
详细描述
进程是程序在计算机上的一次执行过程， 它具有动态性，即进程的状态可以在运行 过程中改变；并发性，即进程可以同时存 在于多个状态；制约性，即进程间的相互 制约关系；独立性，即进程是独立的，不 受其他进程的影响；制约性，即进程间的 相互制约关系。
04 实验步骤与操作
实验环境搭建
准备实验所需的操作 系统环境，如Linux 或Windows。
配置网络连接，确保 实验过程中能够访问 外部资源。
安装必要的软件工具， 如任务管理器、终端 等。
进程创建与终止实验
01 打开任务管理器或终端，
查看当前运行的进程。
观察并记录进程的创建 过程和结果，包括进程
PCB中包含了进程标识符、进 程状态、内存指针、文件描述 符表等信息。
通过PCB，操作系统可以对进 程进行创建、切换、终止等操 作，实现对进程的统一管理。
进程状态信息
1
进程状态信息是指描述进程当前状态的变量和数 据结构。
进程的描述与控制讲解
2020年9月30日3时55分
15
进程的挂起(3)
挂起的原则
(3)定期执行的进程（如审计、监控、记账 程序）对换出去，以减轻系统负荷
(4)用户要求挂起自己的进程，以便进行某 些调试、检查和改正。如父进程要求挂 起子进程，以进行某些检查和改正
2020年9月30日3时55分
16
进程的挂起(4)
挂起的原则
• 进程进入挂起状态是由于操作系统、 父进程或进程本身阻止它的运行,但结 束进程挂起状态的命令只能通过操作 系统或父进程发出
2020年9月30日3时55分
18
具有挂起功能的进程状态
进程增加了两个新状态：
❖ 挂起就绪态（ready suspend）表 明进程具备运行条件但目前在辅存 储器中，当它被对换到主存才能被 调度执行；
5
三态模型(1)
一个进程从创建而产生至撤销而 消亡的整个生命周期，可用一组 状态加以刻划，按进程在执行过 程中的状况至少定义三种不同的 进程状态：
2020年9月30日3时55分
6
三态模型(2)
三种不同的进程状态
❖ 运行态（running）： ❖ 就绪态（ready）： ❖ 等待态（wait）：又称阻塞态 （blocked）
2020年9月30日3时55分
10
五态模型(2)
进程五态模型及其转换
新状 态
运行 态
终止 态
选 • 已构造了进中程标识符中；
出现等待事件
• 已创建了管理进程所断需的表格；
• 还没有允许执行该进程 (尚未同意) ；
• OS所需的就关绪于该进程的信息保存在等主待存中的 进 数程据控分制配表空态间中，，程但等序还待还没事保有件留为结在与辅这束存个中程态序相关的
操作系统精髓与设计原理第五版习题与答案
第1章计算机系统概述1.1 列出并简要地定义计算机的四个主要组成部分。
主存储器，存储数据和程序；算术逻辑单元，能处理二进制数据；控制单元，解读存储器中的指令并且使他们得到执行；输入/输出设备，由控制单元管理。
1.2 定义处理器寄存器的两种主要类别。
用户可见寄存器：优先使用这些寄存器，可以使机器语言或者汇编语言的程序员减少对主存储器的访问次数。
对高级语言而言，由优化编译器负责决定把哪些变量应该分配给主存储器。
一些高级语言，如C语言，允许程序言建议编译器把哪些变量保存在寄存器中。
控制和状态寄存器：用以控制处理器的操作，且主要被具有特权的操作系统例程使用，以控制程序的执行。
1.3 一般而言，一条机器指令能指定的四种不同操作是什么？处理器－寄存器：数据可以从处理器传送到存储器，或者从存储器传送到处理器。
处理器－I/O：通过处理器和I/O模块间的数据传送，数据可以输出到外部设备，或者从外部设备输入数据。
数据处理：处理器可以执行很多关于数据的算术操作或逻辑操作。
控制：某些指令可以改变执行顺序。
1.4 什么是中断？中断：其他模块（I/O，存储器）中断处理器正常处理过程的机制。
1.5 多中断的处理方式是什么？处理多中断有两种方法。
第一种方法是当正在处理一个中断时，禁止再发生中断。
第二种方法是定义中断优先级，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理器的运行。
1.6 存层次的各个元素间的特征是什么？存储器的三个重要特性是：价格，容量和访问时间。
1.7 什么是高速缓冲存储器？高速缓冲存储器是比主存小而快的存储器，用以协调主存跟处理器，作为最近储存地址的缓冲区。
1.8 列出并简要地定义I/O操作的三种技术。
可编程I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令（用以执行这个指令）；在进一步的动作之前，处理器处于繁忙的等待中，直到该操作已经完成。
中断驱动I/O：当处理器正在执行程序并遇到与I/O相关的指令时，它给相应的I/O模块发布命令，并继续执行后续指令，直到后者完成，它将被I/O 模块中断。
计算机操作系统操作系统第3章
计算机操作系统操作系统第3章计算机操作系统是管理计算机硬件与软件资源的程序，是计算机系统的内核与基石。
在其众多的章节中，第 3 章通常涵盖了一些关键且基础的概念和功能。
在这一章里，进程管理往往是一个重要的部分。
进程是操作系统中最基本、最重要的概念之一。
简单来说，进程就是正在运行的程序的实例。
每个进程都有自己独立的地址空间、资源和执行状态。
操作系统需要有效地管理这些进程，包括创建进程、终止进程、进程的调度以及进程间的通信等。
进程的创建可能是由于用户请求启动一个新的程序，或者是由于系统自身的需要，比如系统服务的启动。
创建进程时，操作系统需要为其分配必要的资源，如内存空间、CPU 时间等。
而进程的终止则可能是因为程序正常结束、出现错误或者被其他进程强行终止。
进程调度则决定了哪个进程可以获得 CPU 的使用权，从而得以执行。
这需要考虑多个因素，比如进程的优先级、等待时间、占用 CPU 的时间等。
一个好的调度算法能够提高系统的整体性能，使得各个进程都能得到合理的执行机会，避免某些进程长时间等待而导致系统响应迟缓。
进程间的通信也是至关重要的。
在多进程的环境中，进程可能需要相互协作和交换信息。
常见的进程间通信方式包括共享内存、消息传递、管道等。
共享内存允许不同的进程访问同一块内存区域，从而实现数据的共享和交换；消息传递则是通过发送和接收消息来进行通信；管道则是一种单向的通信方式，常用于父进程和子进程之间的通信。
除了进程管理，内存管理也是第 3 章可能涉及的重要内容。
内存是计算机中用于存储程序和数据的重要资源，操作系统需要合理地分配和管理内存，以满足各个进程的需求。
内存分配可以采用静态分配和动态分配两种方式。
静态分配在程序编译时就确定了所需内存的大小，而动态分配则是在程序运行时根据实际需求来分配内存。
动态分配更加灵活，但也需要操作系统进行有效的管理，以避免内存泄漏和内存碎片的问题。
内存保护也是内存管理的一个关键方面。
操作系统第五版答案第3章_进程描述和控制
答：1.给新进程分配一个唯一的进程标识号。2.给进程分配空间。3.初始化进程控制块。 4.设置正确的连接。5.创建或扩充其他的数据结构。
3.13 中断和陷阱有什么区别？ 答：中断与当前正在运行的进程无关的某些类型的外部事件相关，如完成一次 I/O 操 作。陷阱与当前正在运行的进程所产生的错误或异常条件相关，如非法的文件访问。
当一个页错误完成时，调度程序就可以在页错误等待队列中找到等待的进程。
b. 在这些状态下，允许进程被换出只会使效率更低。例如，当发生页错误等待时，进 程正在等待换入一个页从而使其可以执行，这是将进程换出是毫无意义的。
c. 可以由下面的进程状态转换表得到状态转换图。
当前状态
下一状态
当前正在执 可计算（驻 可计算（换 各种等待状 各种等待状
3.4. 考虑图 3.9（b）中的状态转换图。假设操作系统正在分派进程，有进程处于就绪态和就 绪/挂起态，并且至少有一个处于就绪/挂起态的进程比处于就绪态的所有进程的优先 级都高。有两种极端的策略：（1）总是分派一个处于就绪态的进程，以减少交换；（2） 总是把机会给具有最高优先级的进程，即使会导致在不需要交换时进行交换。请给出 一种能均衡考虑优先级和性能的中间策略。 答：对于一个就绪/挂起态的进程，降低一定数量（如一或两个）优先级，从而保证 只有当一个就绪/挂起态的进程比就绪态的进程的最高优先级还高出几个优先级时， 它才会被选做下一个执行。
3.8 对于哪类实体，操作系统为了管理它而维护其信息表？ 答：内存、I/O、文件和进程。
3.9 列出进程控制块中的三类信息。 答：进程标识，处理器状态信息，进程控制信息。
3.10 为什么需要两种模式（用户模式和内核模式）？ 答：用户模式下可以执行的指令和访问的内存区域都受到限制。这是为了防止操作系 统受到破坏或者修改。而在内核模式下则没有这些限制，从而使它能够完成其功能。
操作系统 精髓与设计原理(第五版))
第一章：计算机系统概述计算机系统基本组成I．处理器：控制计算机的操作，执行数据处理功能。
当只有一个处理器时，它通常指中央处理器（CPU）。
II. 主存储器：存储数据和程序。
iii．输入/输出模块：在计算机和外部环境之间移动数据。
iv．系统总线：为处理器、主存储器和输入输出模块提供通信的设施。
什么是中断？中断是指计算机的处理机用来处理外来请求或部错误的一种机制，该机制软硬件结合，使得计算机的处理机能够暂停当前指令系列的执行而转向请求指令系列的执行。
1.将计算机的处理机正在执行的指令系列称为当前指令系列，当前指令系列通常是用户程序。
2.将计算机为处理各类突发（非预期）事件请求（I/O请求,时钟请求，程序错误，硬件错误）而有待执行的指令系列称为请求指令系列，通常称为中断处理程序，是操作系统的一部分。
3.请求指令系列执行期间，可以被其它事件中断（在允许多重中断的情况下）。
4.执行请求指令系列完毕后，可以返回被暂停的原始指令系列，也可以不返回（在多道程序设计环境中）。
5.中断处理程序与社会事务中的应急事件的预案类似。
中断处理中断的发生激活了很多事情，包括处理器硬件中的事件及软件中的事件。
1.设备给处理器发出一个中断信号。
2.处理器在响应中断前结束指令系列的执行。
3.处理器对中断进行测定，确定存在未响应的中断，并给提交中断的设备发送确认信号，确认信号允许该设备取消它的中断信号。
4.处理器需要把处理权转移到中断程序中去做准备。
首先，需要保存从中断点恢复当前程序所需要的信息，要求的最少信息包括程序状态字（PSW）和保存在程序计数器中的下一条执行的指令地址，它们被压入系统控制栈中（参见附录1B）。
5.处理器把响应此中断的中断处理器入口地址装入程序的计数器中。
6.在这一点，与被中断程序相关的程序计数器和PSW被保存到系统栈中。
此外，还有一些其他信息被当作正在执行程序的状态的一部分。
7.中断处理器现在可以开始处理中断，其中包括检查与I/O操作相关的信息或其他引起中断的事件，还可能包括给I/O设备发送附加命令或应答。
操作系统第三章课件
Bernstein并发执行的条件：
如果对于语句S1和S2，有 ① R(S1)∩ W(S2)={∮}， ② W(S1)∩ R(S2)={∮}， ③ W(S1)∩ W(S2)={∮} 同时成立， 则语句S1和S2是可以并发执行的。
程序的并发执行所带来的影响
如果并发执行的程序段不按照特定的规则和方 法进行资源共享和竞争，则其执行结果将不可 避免地失去封闭性和可再现性。 例如： 图3.1 堆栈的取数和存数过程
进程和程序的区别：
进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计 算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和 可以复制。 进程是暂时的，程序的永久的：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、 数据和进程控制块（即进程状态信息）。 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。
例：设有堆栈S，栈指针top，栈中存放内存中相 应数据块地址（如图3.1(a)）设有两个程序段 getaddr(top)和reladdr(blk)： procedure getaddr(top) begin local r r ←(top) top ← top-1 return(r) end
procedure reladdr(blk) begin top ← top+1 (top)← blk end getaddr 和 reladdr程序段进行顺序执行，其执 行结果具有封闭性和可再现性 两个程序段采用并发执行 1. reladdr:执行完：top ← top+1 2. getaddr(top)：执行后；出现读空出错；
操作系统精髓与设计原理
操作系统精髓与设计原理操作系统是计算机系统中最核心的软件之一，它承担着管理和控制计算机硬件资源的重要任务。
操作系统的设计原理直接影响着计算机系统的性能、稳定性和安全性。
本文将从操作系统的精髓和设计原理两个方面进行探讨，希望能够为读者提供一些深入的理解和启发。
首先，我们来谈谈操作系统的精髓。
操作系统的核心功能包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理和用户接口等。
其中，进程管理是操作系统的基础，它负责对进程的创建、调度、同步和通信进行管理，保证系统资源的有效利用和进程的正常运行。
内存管理则关乎着系统的性能和稳定性，它需要对内存空间进行分配、回收和保护，避免出现内存泄漏和内存溢出的情况。
文件系统则是操作系统与外部存储设备进行交互的接口，它需要对文件进行管理、存储和检索，保证数据的安全和完整性。
设备管理负责对计算机的硬件设备进行管理和控制，包括输入输出设备、网络设备等，它需要提供统一的接口和管理机制，使得应用程序能够方便地与硬件设备进行交互。
用户接口则是操作系统与用户进行交互的方式，它需要提供友好、直观的界面，使得用户能够方便地使用计算机系统。
其次，我们来探讨操作系统的设计原理。
操作系统的设计原理包括了并发、共享、虚拟和异步等几个重要概念。
并发是指系统中存在多个独立的活动，并且这些活动可能同时进行，操作系统需要提供合适的机制来管理这些并发活动，保证它们能够正确、有效地运行。
共享是指系统中的资源可以被多个活动共同使用，操作系统需要提供合适的机制来保证资源的公平分配和合理利用。
虚拟是指操作系统需要对硬件资源进行抽象和虚拟化，使得应用程序能够独立于硬件进行开发和运行。
异步是指系统中的活动是相互独立、不可预测的，操作系统需要提供合适的机制来处理这种不确定性，保证系统的可靠性和稳定性。
在操作系统的设计中，需要考虑到这些原理，并且合理地应用它们，以满足系统的性能、稳定性和安全性要求。
同时，操作系统的设计也需要考虑到实际的应用场景和需求，保证系统能够满足用户的实际需求。
进程描述与控制概要
线程及其管理
3.线程的状态和管理 线程也有一个从创立到消亡的生命过程，虽 然在不同的操作系统，线程的状态设计不完 全一样，但就绪、运行、阻塞3个关键的状态 是共有的。线程中不具有进程中的挂起状态。 对具有多线程的进程状态，假设一个线程被 阻塞，整个进程不被阻塞。线程使用线程控 制块(TCB)来描绘其数据构造。线程的状态转 换是通过相关的控制原语来实现的。
进程的三种状态及其转换
I/O 完 成
就绪 进程 调度
时间 片完
阻塞
执行 I/O 请 求
进程的另一个状态—— 挂起状态
❖ 尽管引入了多道程序设计，在内存中有多道程序 在共享处理机和外围设备，使得处理机利用率进 步，但由于其运行速度的悬殊，还可能出如今内 存中的所有进程都在等待CPU的情形。为了充分利 用CPU的珍贵资源，又引入了“挂起〞状态。
度和指派的执行单元。 线程具有以下性质： 线程是进程内的一个相对独立的可执行单元。 线程是操作系统中的根本调度单元 。
一个进程中至少应有一个线程 。 线程并不拥有资源，而是共享和使用包含它的进
程所拥有的所有资源。 线程在需要时也可创立其他线程。
线程及其管理
进程和线程的区别与联络： 调度 拥有资源 并发性 系统开销
❖ 中断：计算机系统内发生了某一急需处理的事件， 使得CPU暂停正在执行的程序而转去执行相应的事 件处理程序，待处理完毕后又返回到原来被中断处 继续执行
❖ 自陷〔陷阱〕
上下文切换
上下文切换发生时，可能并不改变当前处于运行 态的进程状态。当前运行进程的状态要改变时， 操作系统将进展以下步骤完成进程切换： ① 保存处理器内容。 ② 对当前运行进程的PCB进展更新。 ③ 将这个进程的PCB移入适当的队列。 ④ 挑选其他进程执行。 ⑤ 对挑选进程的PCB进展更新。。 ⑥ 对存储器管理数据构造进展更新。 ⑦ 将被选中进程上次移出时的处理器状态进展恢 复。
《操作系统精髓与设计原理》习题第三章
《操作系统精髓与设计原理》习题第三章第三章习题3.10.1关键术语阻塞态：进程在某些事件发⽣之前不能执⾏，等待这种事件发⽣的状态。
退出态：操作系统从可执⾏进程组中释放出的进程，⾃⾝停⽌了，或者因某种原因被取消。
内核态：某些指令只能在特权状态下执⾏，⽽这种特权状态称为内核态。
⼦进程：由⼀个进程创建的进程，该进程的终⽌受⽗进程的影响。
中断：由外部事件引发进程挂起，CPU转⽽去处理发起中断的事件，并处理结束后恢复进程的执⾏。
模式切换：CPU由⽤户态和核⼼态之间相互切换。
新建态：进程创建时仅仅创建了对应的进程控制块⽽没有在内存中创建相应的映像，此时进程的代码和数据在外存中进程切换：在某⼀时刻，⼀个正在运⾏的进程被中断，操作系统指定另外⼀个进程为运⾏态，并把控制权交给它。
包括为前⼀个进程保存进程控制块和上下⽂信息，并把它们替换成第⼆个进程的。
交换：内存将⼀个内存中⼀个区域的内容与辅助存贮器中⼀个区域的内容互相交换的过程。
程序状态字：包含状态代码、执⾏模式，以及其他反应进程状态的信息的单个寄存器或寄存器组。
陷阱：转向某个指定地址的⾮编程的条件转移，是由硬件⾃动激活的，跳转发⽣的位置会被记录下来。
进程控制块：操作系统中进程信息的描述，是⼀个数据结构，包含有进程标识信息、处理器状态信息、进程控制信息等。
进程映像：⼀个进程的所有组成部分，包括程序、数据、栈和进程控制块。
进程：进程是进程实体的运⾏过程，是系统资源分配和调度的基本单位。
3.10.2复习题3.1什么是指令跟踪（轨迹）？（What is an instruction trace?）An instruction trace for a program is the sequence of instructions that execute for that process.⼀个进程运⾏指令的序列称作指令轨迹。
3.2通常哪些事件会导致创建⼀个进程？（What common events lead to the creation of a process?New batch job;interactive logon;created by OS to provide a service;spawned by existing process.新的批处理作业；交互登陆（终端⽤户登陆到系统）；操作系统因为提供⼀项服务⽽创建；由现有的进程派⽣。
操作系统（进程的描述与控制）
操作系统（进程的描述与控制）⼀、选择题1、进程与程序的根本区别是（A）。
A．静态和动态特征 B．是不是被调⼊到内存中C．是不是存在三种基本状态 D．是不是占有处理机进程与程序的区别：（1）动态性：进程由创建⽽产⽣，由调度⽽执⾏，由撤销⽽消亡，进程有⼀定的⽣命周期；⽽程序只是⼀组有序的指令集合。
（2）并发性：多个进程实体能够在内存中同时运⾏；程序不能并发执⾏。
（3）独⽴性：进程是⼀个能独⽴运⾏独⽴接受调度的基本单位；程序只有建⽴PCB后才能作为⼀个独⽴的单位参与运⾏。
（4）异步性：异步性导致了进程的不可再现性，因为进程按照各⾃独⽴的、不可预知的速度向前推进。
2、操作系统是根据（ B）来对并发执⾏的进程进⾏控制和管理的。
A．进程放⼊基本状态 B．进程控制块C．多道程序设计 D．进程的优先权通过为每⼀个进程专门定义⼀个数据结构——进程控制块PCB来⽅便系统描述和管理进程。
3、某进程由于需要从磁盘上读⼊数据⽽处于等待状态。
当系统完成了所需的读盘操作后，此时该进程的状态将（D）。
A．从就绪变为运⾏ B．从运⾏变为就绪C．从运⾏变为阻塞 D．从阻塞变为就绪进程的三种基本状态：就绪：进程已经获得了除CPU以外的所有必要资源，只要获得了CPU便可⽴即执⾏。
执⾏：进程已经获得了CPU，其进程正在执⾏的状态。
阻塞：正在执⾏的进程由于IO请求、申请缓冲区失败等（如：访问临界资源）暂时⽆法继续执⾏的状态。
引起进程阻塞的事件：等待某操作的完成；新数据尚未到达；等待新任务的到达。
4、⼀个进程被唤醒意味着（ B）。
A．该进程重新占有CPU B．进程状态变为就绪状态C．它的优先权变为最⼤ D．其PCB移⾄就绪队列的队⾸⼀个进程唤醒的过程：需要借助于wakeup原语，⾸先把被阻塞的进程从等待改事件的队列中移除，将其PCB中的现⾏状态由阻塞改为就绪，然后将该PCB插⼊到就绪队列中。
5、进程从运⾏态到等待态可能是（ A ）。
A．运⾏进程执⾏了P操作 B．运⾏进程执⾏了V操作C．进程时间⽚⽤完 D．进程被调度A：当p操作之前信号量的值为0的时候，执⾏p操作后信号量的值⼩于0，进⼊阻塞状态。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第3章进程描述和控制复习题：3.1什么是指令跟踪？答：指令跟踪是指为该进程而执行的指令序列。
3.2通常那些事件会导致创建一个进程？答：新的批处理作业；交互登录；操作系统因为提供一项服务而创建；由现有的进程派生。
（详情请参考表3.1）3.3对于图3.6中的进程模型，请简单定义每个状态。
答：运行态：该进程正在执行。
就绪态：进程做好了准备，只要有机会就开始执行。
阻塞态：进程在某些事件发生前不能执行，如I/O操作完成。
新建态：刚刚创建的进程，操作系统还没有把它加入到可执行进程组中。
退出态：操作系统从可执行进程组中释放出的进程，或者是因为它自身停止了，或者是因为某种原因被取消。
3.4抢占一个进程是什么意思？答：处理器为了执行另外的进程而终止当前正在执行的进程，这就叫进程抢占。
3.5什么是交换，其目的是什么？答：交换是指把主存中某个进程的一部分或者全部内容转移到磁盘。
当主存中没有处于就绪态的进程时，操作系统就把一个阻塞的进程换出到磁盘中的挂起队列，从而使另一个进程可以进入主存执行。
3.6为什么图3.9（b）中有两个阻塞态？答：有两个独立的概念：进程是否在等待一个事件（阻塞与否）以及进程是否已经被换出主存（挂起与否）。
为适应这种2*2的组合，需要两个阻塞态和两个挂起态。
3.7列出挂起态进程的4个特点。
答：1.进程不能立即执行。
2.进程可能是或不是正在等待一个事件。
如果是，阻塞条件不依赖于挂起条件，阻塞事件的发生不会使进程立即被执行。
3.为了阻止进程执行，可以通过代理把这个进程置于挂起态，代理可以是进程自己，也可以是父进程或操作系统。
4.除非代理显式地命令系统进行状态转换，否则进程无法从这个状态中转移。
3.8对于哪类实体，操作系统为了管理它而维护其信息表？答：内存、I/O、文件和进程。
3.9列出进程控制块中的三类信息。
答：进程标识，处理器状态信息，进程控制信息。
3.10为什么需要两种模式（用户模式和内核模式）？答：用户模式下可以执行的指令和访问的内存区域都受到限制。
这是为了防止操作系统受到破坏或者修改。
而在内核模式下则没有这些限制，从而使它能够完成其功能。
3.11操作系统创建一个新进程所执行的步骤是什么？答：1.给新进程分配一个唯一的进程标识号。
2.给进程分配空间。
3.初始化进程控制块。
4.设置正确的连接。
5.创建或扩充其他的数据结构。
3.12中断和陷阱有什么区别？答：中断与当前正在运行的进程无关的某些类型的外部事件相关，如完成一次I/O操作。
陷阱与当前正在运行的进程所产生的错误或异常条件相关，如非法的文件访问。
3.13举出中断的三个例子。
答：时钟终端，I/O终端，内存失效。
3.14模式切换和进程切换有什么区别？答：发生模式切换可以不改变当前正处于运行态的进程的状态。
发生进程切换时，一个正在执行的进程被中断，操作系统指定另一个进程为运行态。
进程切换需要保存更多的状态信息。
习题：3.1.给出操作系统进行进程管理时的五种主要活动，并简单描述为什么需要它们。
答：用户进程和系统进程创建及删除。
系统中的进程可以为信息共享、运算加速、模块化和方便并发地执行。
而并发执行需要进程的创建和删除机制。
当进程创建或者运行时分配给它需要的资源。
当进程终止时，操作系统需要收回任何可以重新利用的资源。
进程的暂停和继续执行。
在进程调度中，当进程在等待某些资源时，操作系统需要将它的状态改变为等待或就绪状态。
当所需要的资源可用时，操作系统需要将它的状态变为运行态以使其继续执行。
提供进程的同步机制。
合作的进程可能需要共享数据。
对共享数据的并行访问可能会导致数据冲突。
操作系统必须提供进程的同步机制以使合作进程有序地执行，从而保证数据的一致性。
提供进程的通信机制。
操作系统下执行的进程既可以是独立进程也可以是合作进程。
合作进程之间必须具有一定的方式进行通信。
提供进程的死锁解决机制。
在多道程序环境中，多个进程可能会竞争有限的资源。
如果发生死锁，所有的等待进程都将永远不能由等待状态再变为运行态，资源将被浪费，工作永远不能完成。
3.2.在[PINK89] 中为进程定义了以下状态：执行（运行）态、活跃（就绪）态、阻塞态和挂起态。
当进程正在等待允许使用某一资源时，它处于阻塞态；当进程正在等待它已经获得的某种资源上的操作完成时，它处于挂起态。
在许多操作系统中，这两种状态常常放在一起作为阻塞态，挂起态使用本章中给出的定义。
请比较这两组定义的优点。
答：[PINK89]中引用了以下例子来阐述其中阻塞和挂起的定义：假设一个进程已经执行了一段时间，它需要一个额外的磁带设备来写出一个临时文件。
在它开始写磁带之前，进程必须得到使用某一设备的许可。
当它做出请求时，磁带设备可能并不可用，这种情况下，该进程就处于阻塞态。
假设操作系统在某一时刻将磁带设备分配给了该进程，这时进程就重新变为活跃态。
当进程重新变为执行态时要对新获得的磁带设备进行写操作。
这时进程变为挂起态，等待该磁带上当前所进行的写操作完成。
这种对等待某一设备的两种不同原因的区别，在操作系统组织其工作时是非常有用的。
然而这并不能表明那些进程是换入的，那些进程是换出的。
后一种区别是必需的，而且应该在进程状态中以某种形式表现出来。
3.3.对于图3.9（b）中给出的7状态进程模型，请仿照图3.8（b）画出它的排队图。
答：图9.3给出了单个阻塞队列的结果。
该图可以很容易的推广到多个阻塞队列的情形。
3.4.考虑图3.9（b）中的状态转换图。
假设操作系统正在分派进程，有进程处于就绪态和就绪/挂起态，并且至少有一个处于就绪/挂起态的进程比处于就绪态的所有进程的优先级都高。
有两种极端的策略：（1）总是分派一个处于就绪态的进程，以减少交换；（2）总是把机会给具有最高优先级的进程，即使会导致在不需要交换时进行交换。
请给出一种能均衡考虑优先级和性能的中间策略。
答：对于一个就绪/挂起态的进程，降低一定数量（如一或两个）优先级，从而保证只有当一个就绪/挂起态的进程比就绪态的进程的最高优先级还高出几个优先级时，它才会被选做下一个执行。
3.5.表3.13给出了VAX/VMS操作系统的进程状态。
a.请给出这么多种等待状态的理由。
b.为什么以下状态没有驻留和换出方案：页错误等待、也冲突等待、公共事件等待、自由页等待和资源等待。
c.请画出状态转换图，并指出引发状态装换的原因。
答：a.每一种等待状态都有一个单独的队列与其相关联。
当影响某一等待进程的事件发生时，把等待进程分成不同的队列就减少了定位这一等待进程所需的工作量。
例如，当一个页错误完成时，调度程序就可以在页错误等待队列中找到等待的进程。
b.在这些状态下，允许进程被换出只会使效率更低。
例如，当发生页错误等待时，进程正在等待换入一个页从而使其可以执行，这是将进程换出是毫无意义的。
c.可以由下面的进程状态转换表得到状态转换图。
3.6.VAM/VMS享。
访问模式确定：●指令执行特权：处理器将执行什么指令。
●内存访问特权：当前指令可能访问虚拟内存中的哪个单元。
四种模式如下：●内核模式：执行VMS操作系统的内核，包括内存管理、中断处理和I/O操作。
●执行模式：执行许多操作系统服务调用，包括文件（磁盘和磁带）和记录管理例程。
●管理模式：执行其他操作系统服务，如响应用户命令。
●用户模式：执行用户程序和诸如编译器、编辑器、链接程序、调试器之类的实用程序。
在较少特权模式执行的进程通常需要调用在较多特权模式下执行的过程，例如，一个用户程序需要一个操作系统服务。
这个调用通过使用一个改变模式（简称CHM）指令来实现，该指令将引发一个中断，把控制转交给处于新的访问模式下的例程，并通过执行REI（Return from Exception or Interrupt，从异常或中断返回）指令返回。
a.很多操作系统有两种模式，内核和用户，那么提供四种模式有什么优点和缺点？b.你可以举出一种有四种以上模式的情况吗？答：a.四种模式的优点是对主存的访问控制更加灵活，能够为主存提供更好的保护。
缺点是复杂和处理的开销过大。
例如，程序在每一种执行模式下都要有一个独立的堆栈。
b.原则上，模式越多越灵活，但是四种以上的模式似乎很难实现。
3.7.在前面习题中讨论的VMS方案常常称为环状保护结构，如图3.18所示。
3.3节所描述的简单的内核/用户方案是一种两环结构，[SILB04]指出了这种方法的问题：环状（层次）结构的主要缺点是它不允许我们实施须知原理，特别地，如果一个对象必须在域D j中可访问，但在域D i中不可访问，则必须有就j<i。
这意味着在D i中可访问的每个段在D j中都可以访问。
a.请清楚地解释上面引文中提出的问题。
b.请给出环状结构操作系统解决这个问题的一种方法。
答：a.当j<i时，运行在D i中的进程被禁止访问D j中的对象。
因此，如果D j中包含的信息比D i中的更具有特权或者要求的安全性更高，那么这种限制就是合理的。
然而，通过以下方法却可以绕过这种安全策略。
一个运行在D j中的进程可以读取D j中的数据，然后把数据复制到D i中。
随后，D i中的进程就可以访问这些信息了。
b.有一种解决这一问题的方法叫做可信系统，我们将在16章中进行讨论。
3.8.图3.7（b）表明一个进程每次只能在一个事件队列中。
a.是否能够允许进程同时等待一个或多个事件？请举例说明。
b.在这种情况下，如何修改图中的排队结构以支持这个新特点？答：a.一个进程可能正在处理从另一个进程收到的数据并将结果保存到磁盘上。
如果当前在另一个进程中正有数据在等待被取走，进程就可以继续获得数据并处理它。
如果前一个写磁盘操作已经完成，并且有处理好的数据在等待写出，那么进程就可以继续写磁盘。
这样就可能存在某一时刻，进程即在等待从输入进程获得数据，又在等待磁盘可用。
b.有很多种方法解决这一问题。
可以使用一种特殊的队列，或者将进程放入两个独立的队列中。
不论采用哪种方法，操作系统都必须处理好细节工作，使进程相继地关注两个事件的发生。
3.9.在很多早期计算机中，中断导致寄存器值被保存在与给定的中断信息相关联的固定单元。
在什么情况下这是一种实用的技术？请解释为什么它通常是不方便的。
答：这种技术是基于被中断的进程A在中断响应之后继续执行的假设的。
但是，在通常情况下，中断可能会导致另一个进程B抢占了进程A。
这是就必须将进程A的执行状态从与中断相关的位置复制到与A相关的进程描述中。
然而机器却有可能仍将它们保存到前一位置。
参考：[BRIN73]。
3.10. 3.4节曾经讲述过，由于在内核模式下执行的进程是不能被抢占的，因此UNIX不适用于实时应用。
请阐述原因。
答：由于存在进程不能被抢占的情况（如在内核模式下执行的进程），操作系统不可能对实时需求给予迅速的反应。