第二章进程描述与控制

程序顺序执行、并发执行特征比较
程序的顺序执行
1 顺序性 2 封闭性 3可再现性
程序的并发执行
1 间断性 2 失去封闭性 3 不可再现性
进程的定义
进程有许多各式各样的定义
（1）进程是可以并发执行的计算部分 （2）进程是一个独立的可以调度的活动 （3）进程是一个抽象的实体，当它执行某个任务时，
将要分配和释放各种资源 （4）行为的规则叫程序，程序在处理机上执行的活动
进程上下文
上文:
– 已执行过的进程指令\数据在寄存器和栈中的内容
正文
– 正在执行的
下文
– 待执行的进程指令\数据在寄存器和栈中的内容
机器指令与寄存器
通过DEBU了解机器指令理解寄存器
C程序
汇编程序
int a = 3; a=a+1; b=a+2;
mov [010B], 3
mov ax, [010B] add ax, 1 mov [010B], ax mov ax, [010B] add ax, 2 mov [010D], ax
CPU现场保护的必要性
CPU
AX
BX
C…X
mov ax, 3 add ax, 1 mov [010B], ax
进程A
mov ax, 5 add ax, bx mov [020C], ax
进程B
Process Control Block (PCB进程控制块)
OS为了管理、控制进程，设置 PCB，存储进程相关信息
同一语句的“读集”和“写集”也可能相 同（交集不为空）
例如计数语句： x＝x＋1 读集和写集相同 R（x＝x＋1）＝W（x＝x＋1）＝{x}
例：下述四条语句
S1： a＝x + y
S1
S2： b＝z + 1
S3： c＝a + b
S3
S4
S4： w＝c + 6
S2
R(S1)={x,y} W(S1)={a}; R(S2)={z} W(S2)={b}; R(S3)={a,b} W(S3)={c}; R(S4)={c} W(S4)={w};
– Process number 进程标识符 – Process state 进程现行状态 – Program counter 程序计数器 – CPU registers 寄存器值 – CPU scheduling information调度
信息 – Memory-management information
进程和程序的区别
动态性, 进程的实质是程序的一次执行过程,它由“创建” 而产生,由“调度”而执行,因得不得资源而暂停执行,最 后由“撤销”而消记亡,是有一定的生命期,而程序只是 指令的集合,本身无运行的含义,是静态的。
并发性，并发性是进程的重要特征，引入进程的目的正 是为了使其程序和其它程序并发执行；而程序(没有建 立进程)是不能并发执行的。
若两个程序P1和P2能满足下述条件,它们 便能并发执行,否则不能
R(P1)∩W(P2) ∪ R(P2)∩W(P1) ∪ W(P1) ∩W(P2)={ } 即
① R (P1)∩W(P2)={ } ② W(P1)∩R (P2)={ } ③ W(P1)∩W(P2)={ } 同时成立
例1
若有两条语句P1:c＝a－b和P2:w＝c＋1，判断 它们是否可以并发执行？ 解：它们的“读集”和“写集”分别为
进程和资源的关系
P1 处理机
P2
Pn
虚拟内存 计算机资源
I/O I/O I/O 内存
操作系统的控制结构
为掌握每一个进程和资源的当前状态信息, OS 为每个被管理的对象建立并维护一张信息表,称
为操作系统控制表,包括
– 内存表 – 输入/输出表 – 文件表 – 进程表
进程的主要组成部分
进程控制块(PCB) 程序 数据 系统栈
若有两条语名P1: c=a+b; P2:x=x+1; 则它们的读集与写为:
R(P1)={ a, b } W(P1)={ c }
R(P2)={ x }
W(P2)={ x }
P1的读集与写集的交集为空;P2的读集与写集的交集非空;
R(P1)∩W(P1)={ } R(P2) ∩W(P1)={ x }
Bernstein条件
存储管理信息 – Accounting information记帐信息 – I/O status information I/O状态信息，
如打开的文件
进程控制块的组织形式:链接方式
进程控制块的组织形式:索引方式
进程在各队列间迁移
方块表示队列，圆圈表示资源
CPU Switch From Process to Process
挂起功能的引入
对换的需要
– 为缓解内存紧张的情况，将内存中处于阻塞状态的 进程换至外存上，使进程处于一种有别于阻塞状态 的新状态。
系统负荷调节的需要
– 系统中负荷过重，资源数目相对不足时需要挂起一 部分进程以调整系统负荷。
终端用户的需要
– 用户检查自己作业执行情况和中间结果时，因同预 期结果不符而要求挂起进程以便进行检查和改正。
– 硬件资源：CPU、输入输出设备，存储器 – 软件资源：各种例行程序、各种共享的数据 – 多道程序环境下执行程序的道数>计算机系统中CPU
的个数
– 单CPU中，则由N－1道程序处在等待CPU的状态 – 输入输出设备有限将导致这些设备被共享、内存有
限将导致内存被共享
程序并发执行可分为两种：
多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多 道程序的并发执行
（1）N＝N＋1在print（N）和N＝0之前，此时得到的N值分别为
（2）Nk＋＝N1＋，1k在＋p1ri，nt0（N）和N＝0之后，此时得到的N值分别为
（3为）Nk，＝N＋01，在 pr1int（N）和N＝0之间，此时得到的N值分别
k， k＋1， 0
5.程序并发执行的条件
1966年，Bernstein(伯恩斯坦)提出了相邻语句 P1，P2可以并发执行的条件。
(其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同样S3也只能在b 被赋值 以后才能执行)
2、 程序顺序执行时的特征
顺序性
– 处理机的操作，严格按照程序所规定的顺序执行， 即只有前一操作结束后，才能执行后继操作。
封闭性（失去交换性）
– 程序是在封闭的环境下运行的。即程序在运行时， 它独占全机资源，因而机内各资源的状态（除初始 状态外），只有程序才能改变它。程序一旦开始运 行，其执行结果不受外界因素的影响。
可再现性
– 只要程序执行时的环境和初始条件都相同，不论它 是从头到尾的不停顿的执行，还是“走走停停”地 执行，都将获得相同的结果。
3.wenku.baidu.com多道程序的并发执行
– 计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序（批 处理系统，分时系统、实时系统、网络与分布式系 统）。这样的执行环境具有三个特点：
• 独立性 • 随机性 • 资源共享
由于资源有限，多道程序的并发执行总是伴随着资 源的共享与竞争，制约了各道程序的执行速度。
在某道程序段中，包含着一部分可以同时执行 或顺序颠倒执行的代码
例如：read（a）； read（b）；
既可以同时执行，也可以颠倒次序执行，同时执行 不会改变顺序程序所具有的逻辑行为，可采用并发 执行来充分利用资源。
程序并发执行
一组逻辑上相互独立的程序或程序段在执行 过程中，其执行时间在客观上相互重叠，即一 个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执 行已经开始的这种执行方式。
程序的并发执行
I1
I2
I3
I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
程序并发执行时的前驱图
4.程序并发执行时的特征
间断性
– 程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完成某 一项任务而合作，致使在并发程序之间存在相互制 约的关系。(I、C、P是三个相互合作的程序，当计 算程序完成Ci－1的计算后，如果输入程序I尚未完成 对Ii的处理，则计算程序无法进行Ci处理，致使计算 程序在停运行。)
R(P1)＝{a,b}； W(P1)＝{c} R(P2)＝{c} ； W(P2)＝{w} R(P1)∩W(P2)={ } R(P2)∩W(P1)={c} 所以：两条语句不能并发执行。
同一语句的“读集”和“写集”的交集是 空集。
R（c＝a－b）∩W（c＝a－b）={ }
R（w＝c＋1）∩W（w＝c＋1）={ }
如果并发执行的各程序段中语句或指令满足 Bernstein的条件，则认为并发执行不会对执行 结果的封闭性和可再现性产生影响。
定义程序读集与写集符号
R(Pi)={a1,a2,···,am}
表示程序Pi在执行期间需引用的变量的集合,称Pi的读集;
W(Pi)={b1,b2,···,bm}
表示程序Pi在执行期间需改变的变量的集合,称Pi的写集;
称为进程。 （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。
我国对进程的定义
进程：一个具有独立功能的程序关于某个数据 集合的一次运行过程。
– 在处理机上的执行过程和分配资源的基本单位 – 在这里，程序指一组操作序列，而数据集则是接受
程序规定操作的一组存储单元的内容。
– 占有CPU.
阻塞(Blocked/Waiting)
– 进程因为等待某事件的发生（如I/O完成），不能 继续执行.
进程3种状态间的转换
就绪->执行 执行->就绪 执行->阻塞 阻塞->就绪
进程基本状态图diagram of process state
进程创建
进程撤消
事件发生
进程调度 等待事件
失去封闭性
– 程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的各种 资源，因而这些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。
4.程序并发执行时的特征(续)
不可再现性
– 程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也导致失去了可再现 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 要做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。（假定某时刻变量N的值为k）
第二章进程描述与控制
进程的基本概念 Process Concept
进程的引入 进程的定义和特征 进程的基本状态及其转换 具有挂起功能的进程状态及其转换
I1
C1
P1
I2
C2
P2
程序顺序执行时的前驱图
对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序 的问题。如果对于下述三条语句的程序段： S1： a＝x＋y S2： b＝a－5 S3： C＝b＋1
独立性，是指进程一个能独立运行、独立分配资源和独 立调度的基本单位；凡未建立进程的程序，都不能作为 一个独立的单位参加运行。
异步性，各进程各自以独立的、不可预知的速度向前推 进。
进程的三种基本状态 （Process State）
就绪 (Ready):
– 万事具备，只欠东风（被执行）.
执行 (Running)
进程的5种状态
活动就绪 (Ready_Active) 静止就绪 (Ready_Static) 执行 (Running) 活动阻塞(Blocked_A) 静止阻塞(Blocked_S)
进程5种状态间的转换图
进程描述
操作系统的控制结构 进程的结构描述 PCB的结构 PCB的组织形式