第3章_1 进程基本概念、互斥和同步

程序并发执行及其特征
程序并发执行的条件
程序并发执行，虽然能有效地提高资源
利用率和系统的吞吐量，但必须采取某种措施，
以便并发程序能保持其“可再现性”。

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程序并发执行及其特征
定义符号： R(Pi)＝{a1,a2…,am},用以表示程序A在执行期间 所需参考的所有变量的集合，称为“读集“; W(pi)＝{b1,b2…,bn},是程序pi在执行期间要改变 的所有变量的集合，称为“写集”。 若两个程序P1和p2能满足下述条件，它们便能并 发执行，且具有可再现性。该条件在1966年首先 由Bernstein提出．又称为Bernstein条件： R(p1)∩W(p2)∪R(p2)∩W(p1)∪W(p1)∩W(p2)={ }。
操作系统
longfaning@
1
主讲：龙法宁 Email：
第3章 进程的管理
为了描述程序在并发执行时对系统资 源的共享，我们需要一个描述程序执行时 动态特征的概念，这就是进程。在本章中， 我们将讨论进程概念、进程控制和进程间 关系。
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本章内容:
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
进程概念的引入

为什么要提出进程这个概念？
C 语 言 程序A 编 译 器 根据时间片来编译运行程序

程序B
进程的简单理解－－描述功能完整 的程序的在处理器上的执行过程
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进程的定义
1 进程的特征和定义 定义：可并发执行的程序在一个数据集合 上的运行过程，是系统进行资源分配和调 度的一个独立单位。
A 运行－>就绪
C 阻塞 －> 运行
B 运行－>阻塞
D 阻塞 －>就绪
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进程概念
问题：如果系统中有N个进程，
运行进程最多几个，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？

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进程概念
解答：运行进程最多1个，最少0个；
就绪进程最多N-1个，最少0个； 等待进程最多N个，最少0个；
解答：
就绪—运行: 不一定（系统中仅一个进程） 转换条件：被调度程序选中 运行—就绪: 一定（讨论就绪队列的长度） 转换条件：时间片到时,或有更高优先级 的进程出现
进程的特征与状态
2 进程的两种状态
进程在运行中可以简单分为未执行和执行 状态。 一般未执行的进程都是保存在一个队列里面， 当执行过程种需要暂停的时候，就把当前执 行的进程放入队列的后面，这样处理存在什 么样程在运行中不断地改变其运行状态。
通常，一个运行进程必须具有以下三种基本状态:
(1) 就绪状态(Read) - 得到除处理机外所有资源； (2)执行状态(Run) - 获得了处理机； (3)阻塞状态(Block) - 因某事件暂停执行;即除了CPU还有 其他资源没有得到满足；例如有的进程在运行，有的在进行 输入输出操作。也叫等待状态 如果再加上”新(New)状态”,”终止(Terminated)状态” 共有5种状态 。
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例:有四条语句: S1: a: = x + y S2: b: = z + 1 S3: c: = a – b S4: w: = c + 1 S1:a: = x + y的读集为R(S1)={x,y},写集 为W(S1)={a}; S2:b: = z + 1的读集为R(S2)={z},写集为 W(S2)={b}; S3:c: = a – b的读集为R(S3)={a,b},写集 为W(S3)={c}; S4:w: = c + 1的读集为R(S4)={c},写集为 W(S4)={w};
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• 进程的定义－－我们肯定看的一头雾水 • 进程的概念是60年代初期，首先在MIT 的 Multics系统和IBM 的 TSS/360系统中引用的。从那以来，人们对进程下过许多 各式各样的定义。 • (1) 进程是可以并行执行的计算部分（S.E.Madnick， J.T.Donovan）； • (2) 进程是一个独立的可以调度的活动（E.Cohen， D.Jofferson）； • (3) 进程是一抽象实体，当它执行某个任务时，将要分配和释 放各种资源（P.Denning）； • (4) 行为的规则叫程序，程序在处理机上执行时的活动称为进 程（E.W.Dijkstra）； • (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（Brinch Hansen），等等。
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程序并发执行及其特征
2. 程序并发执行时的特征 (1) 独立性－可能产生间断性 每道程序都是逻辑上独立的，它们之间不存在逻 辑上的制约关系。 (2) 随机性 在多道程序环境下，特别是在多用户环境下，程 序和数据的输入与执行开始时间都是随机的。 (3) 资源共享－可能产生不可再现性 资源共享将导致对进程执行速度的制约。可能导 致不可再现性。
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• 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)，其中getaddr(top)从给 定的top所指栈中取出相应的内存数据块地址，而 reladdr(blk)则将内存数据块地址blk放入堆栈S中。 getaddr(top)和reladdr(blk)可分别描述为： • procedure getaddr(top) • begin • local r • r ←(top) • top ← top-1 • return(r) • end • procedure reladdr(blk)
S1
S2
S3
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3.1.1 程序顺序执行及其特征
2 程序顺序执行的特征：
(1) 顺序性 程序顺序执行时，其执行过程可看作一系列严格按程序规定的 状态转移过程。 (2) 封闭性 程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定，不受外界因 素的影响。 (3) 可再现性 只要输入的初始条件相同，则无论何时重复执行该程序都会得 到相同的结果。
• begin • top ← top+1 • (top)← blk • end • 显然，如果上例中的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。但 如果对这两个程序段采用并发执行，则在单CPU系 统中，将有可能出现下述情况：
• 图3.1 堆栈的取数和存数过程
概念： (1)进程、进程的基本状态；
单CPU；进程切换瞬间； 系统进程、用户进程；
(2)死锁（不是“死机”）；
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进 程 概 念（三）
问题：如果操作系统里面存在多个进
程，进程状态一个转换发生，是否另 一个转换一定发生？找出所有的可能。
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进 程 概 念（三）
问题：如果操作系统里面存在多个进程，
一个转换发生，是否另一个转换一定发生？ 找出所有的可能。
2.1.2 前驱图
在前趋图中，没有前趋的结点称为初始 站点(Initial Node)，没有后继的结点称为 终止结点(Final Node)。 每个结点还具有一个重量(Weight)，它 可用该结点所含的程序量或结点的执行时间 来计量。
2 1
5 4 6
8
3
3.1.3 程序并发执行及其特征
1.程序的并发执行 三个进行输入﹑计算﹑打印的程序并发执行：
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进程与程序的区别
简单例子


《操作系统课程》－－程序
教师－－CPU 学生学习过程－－进程 A和B班学习进度不一样，所以可以 比喻为一个程序拥有2个进程
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进程的特征与状态
进程的特征

动态性：进程是程序的执行过程,创建而产生﹑ 调度而执行﹑撤消而消亡； 独立性：各进程的地址空间相互独立，除非采用
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程序并发执行及其特征
2. 程序并发执行时引起问题 什么是程序的并发执行？什么是程序的并行执行？ 并发：宏观上是同时进行的，但在微观上仍是顺 序执行的 并行：不管是宏观还是微观上都是同时执行的。
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程序并发执行及其特征
2. 程序并发执行时引起问题 read (a) ； read (b) ； 它们既可以同时执行，也可颠倒次序执行。对于 这样的语句，同时执行不会改变顺序程序所具有 的逻辑性质。因此，可以采用并发执行来充分利 用系统资源以提高计算机的处理能力。 以上这种情况不会引起任何问题。
它对应虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟外设等资源的分 配和回收；
引入多进程，提高了对硬件资源的利用率，但又带来
额外的空间和时间开销，增加了OS 的复杂性.
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进程与程序的区别

程序是静态的，进程是动态的（例如 读书）

程序是相对永久的，进程是暂时的 进程有它自己的数据结构-PCB 进程和程序并不一定是一一对应的

进程间通信手段；

并发性:进程可以并发执行,而程序却不能. 异步性：“虚拟”； 结构特征：进程实体由程序段、数据段和进程控 制快组成,统称为“进程映像”。
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• 作业和进程的关系 • 作业是用户需要计算机完成某项任务时要求计算机 所作工作的集合。进程是已提交完毕程序的执行过 程的描述，是资源分配的基本单位。区别与关系： • (1) 作业是用户向计算机提交任务的任务实体。在 用户向计算机提交作业之后，系统将它放入外存中 的作业等待队列中等待执行。而进程则是完成用户 任务的执行实体，是向系统申请分配资源的基本单 位。任一进程，只要它被创建，总有相应的部分存 在于内存中。 • (2) 一个作业可由多个进程组成。且必须至少由一 个进程组成，但反过来不成立。 • (3) 作业的概念主要用在批处理系统中。而进程的 概念则用在几乎所有的多道系统中。
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进程的特征与状态 结束
新进程
进程调度 中断