操作系统 进程管理1基本概念进程控制

第二章 进程管理
重点
理解进程的概念、状态变化
理解和掌握同步的概念及经典进程同步问题
，
是本课程的重点之一
难点
会写进程同步问题的算法
知识点
进程、线程、进程的特征、PCB、进程控制、
进程状态转换、 进程同步、进程通信
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S3
(a ) 具有九个结点的前趋图
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(b ) 具有循环的前趋图
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
前趋图
对于图(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
R(i)W(j)=;
W(i)R(j)=;
W(i)W(j)=;
前两条保证一个程序的两次读之间数据不变化； 最后一条保证写的结果不丢掉
现在的问题是这个条件不好检查
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程序并发执行的条件（1966年由Bernstein提出）
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程序的并发执行及其特征
并发执行的特征
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； 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
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进程的基本概念
程序的顺序执行及其特征 前趋图 程序的并发执行及其特征 进程概念 进程的特征与状态 进程控制块
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进程的特征与状态
动态性：进程具有动态的地址空间（数量和内容）， 地址空间上包括：
代码（指令执行和CPU状态的改变） 数据（变量的生成和赋值） 系统控制信息（进程控制块的建立和系统收回）
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)“→”
→={(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，
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程序的顺序执行及其特征
两种方式
顺序执行：是单道批处理系统的执行方式，也用
于简单的单片机系统 并发执行：现在的操作系统，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
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 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
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 (b) 中却有着 下述的前趋关系：S2→S3, S3→S2
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程序的并发执行及其特征
N： n N： n
程序A：N∶=N+1; //N == n+1
程序切换
程序B： Print(N); //N=n
程序切换
程序B： Print(N); //N=n+1
程序A：N∶=N+1; //N == n+1
程序切换
第二章 进程管理
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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进程的基本概念
程序的顺序执行及其特征 前趋图 程序的并发执行及其特征 进程的特征与状态 进程控制块
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C4
P1
P2
P3
P4
并发执行时的前趋图
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程序的并发执行及其特征
Ii→Ci，Ii→Ii+1, Ci→Pi, Ci→Ci+1，Pi→Pi+1
而Ii+1和Ci及Pi-1是时间上重迭的， 亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1，可以并发执行。
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N∶=0 ;
N： n
//N==0
程序B：N∶=0; //N == 0 注意：A、B程序得到的共享变 量结果不同，失去封闭性、不可 再现性；要得到良好的控制，系 统必须要进行管理——进程控制 管理
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程序B：Print(N); //N=n
N∶=0 ;
//N==0
程序切换
程序A：N∶=N+1; //N == 1
S2: S3: S4:
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b := z + 1 c := a - b d := c + 1
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程序并发执行的条件（1966年由Bernstein提出）
R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2) = { } a := x + y R(S1)={ x, y } W(S1)={ a } b := z + 1 R(S2)={ z } W(S2)={ b } c := a - b R(S3)={ a, b } W(S3)={ c } d := c + 1 R(S4)={ c } W(S4)={ d } 可以 并发，因为______________________。 语句S1、S2______ S1: S2: S3: S4: 不能 并发，因为______________________ R(S3)∩W(S1)={a}≠{ } 。 语句S1、S3______ R(S3)∩W(S2)={b}≠{ } 。 不能 并发，因为______________________ 语句S2、S3______ R(S4)∩W(S3)={c}≠{ } 。 不能 并发，因为______________________ 语句S3、S4______ 语句S2、S4______ 可以 并发，因为______________________。
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程序的顺序执行及其特征
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; S3: c∶=b+1;
语句s1,s2,s3必须按顺序执行
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程序的顺序执行及其特征
Ii→Ci→Pi和S1→S2→S3
I1 C1 P1 I2 C2 P2
(a ) 程序的顺序执行
S1
S2
S3
(b ) 三条语句的顺序执行
程序的顺序执行 Page 6
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进程的基本概念
程序的顺序执行及其特征 前趋图 程序的并发执行及其特征 进程的特征与状态 进程控制块
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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
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程序的并发执行及其特征
对于具有下述四条语句的程序段

S1: S2: S3: S4:
S1
a∶=x+2 b∶=y+4 c∶=a+b d∶=c+b
S3 S2
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S4
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程序的并发执行及其特征
例如有两个循环程序A和B，它们共享一个变量N 程序A：N∶=N+1;
程序B： Print(N);
N∶=0 ;
程序A和B以不同的速度运行(失去封闭性，导致不可再现 性） 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 N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此时得到的N值分别 为n, 0, 1 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
若两个程序P1和P2满足下述条件，便能并发执行且有可再现性： R(P1)∩W(P2)∪R(P2)∩W(P1)∪W(P1)∩W(P2) = { } “读集” R ( Pi ) 为程序 Pi 在执行期间所需参考的所有变量的集合。