第二章 进程的描述和控制

2.4 进程同步
• 设有一台标准输入设备(键盘),和一台标准输出设备(显示 器或打印机),输入进程负责从标准设备中读取一个字符, 送缓冲区中。输出进程从缓冲区中取数据,送标准设备输 出。
这两个进程并发执行时可能出现的情况？
1、输出重复;
2、数据丢失;
问题的提出
进程之间如何传递消 息？线程呢？ 确保各个进程(线程)的关 键活动不会出现交错
潜在的控制问题
互斥 死锁 饥饿 互斥 死锁 饥饿 数据相关性 互斥 死锁
进程间接知道对方 的存在
通过共享合 作
进程直接知道对方 的存在
通过通信合 作
• 临界资源和临界区
– 临界资源：指一次仅允许一个进程使用的资源。
（Critical Resource ） – 临界区：最多只允许一个进程访问的程序段。
• 进程终止的过程
– 1)根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检 索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态。 – 2)若被终止进程正处于执行状态，应立即终止 该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示 该进程被终止后应重新进行调度。 – 3)若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙 进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。 – 4)将被终止进程所拥有的全部资源，或者归还 给其父进程， 或者归还给系统。 – 5)将被终止进程(它的PCB)从所在队列(或链表) 中移出， 等待其他程序来搜集信息。
• 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。
2.3.2 进程的创建
• 进程图
– 用于描述进程家族关系的有向树。
• 图中的节点代表进程。进程pi创 建了进程pj后就成pi是pj的父进 程(Parent Process)，pj是pi的子 进程(Progeny Process)。用pi指 向pj的有向边描述它们之间的父 子关系。创建父进程的进程称为 祖父进程，从而一个进程家族就 形成了一棵进程树，其中根节点 成为进程家族的祖先(Ancestor)。
（Critical Section)
void pi() { while(true){ /*处理代码*/; entercritical(Ra); /*临界区*/ exitcritical(Ra); /*其他代码*/； } }
• 同步机制执行准则：
– 空闲让进 – 忙则等待 – 有限等待 – 让权等待
内核的功能
– 1）中断处理 中断是OS内核最基本的功能。系统中的所有 中断 都由内核响应。中断是进程并发执行的基 础， OS是由中断驱动的。 – 2) 时钟管理 OS的许多重要操作，都依赖于时钟管理。 – 3）原语操作 原语操作包括涉及CPU管理，存储管理，设备 管理，文件管理的各种基本操作。
中断源
• 进程唤醒过程
– 当被阻塞进程所期待的事件出现时，如I/O完成 或其所期待的数据已经到达，则由有关进程(比 如，用完并释放了该I/O设备的进程)调用唤醒 原语wakeup( )，将等待该事件的进程唤醒。唤 醒原语执行的过程是：首先把被阻塞的进程从 等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的 现行状态由阻塞改为就绪，然后再将该PCB插 入到就绪队列中。
• 特权指令与非特权指令
– 从资源管理和控制程序执行的角度出发，必须 把指令系统中的指令分作两部分：特权指令和 非特权指令。 – 特权指令是指只能提供给操作系统的核心程序 使用的指令，如启动I/O设备、设置时钟、控制 中断屏蔽位、清主存、建立存储键，加载PSW 等。
• 程序状态字寄存器
– 计算机如何知道当前处于何种工作状态？这时 能否执行特权指令？通常操作系统都引入程序 状态字PSW（Program Status Word）来区别 不同的处理器工作状态 – PSW用来控制指令执行顺序并保留和指示与程 序有关的系统状态，主要作用是实现程序状态 的保护和恢复 – 每个程序都有一个与其执行相关的PSW，每个 处理器都设置一个PSW寄存器。程序占有处理 器执行，它的PSW将占有PSW寄存器
2.3.4 进程的阻塞与唤醒 • 引起进程阻塞和唤醒的事件
– 向系统请求共享资源失败 – 等待某种操作的完成 – 新数据尚未到达 – 等待新任务的到达
• 进程阻塞过程
– 正在执行的进程，当发现上述某事件时，由于无法继 续执行，于是进程便通过调用阻塞原语block把自己阻 塞。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。 进入block过程后，由于此时该进程还处于执行状态， 所以应先立即停止执行，把进程控制块中的现行状态 由“执行”改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。如果 系统中设置了因不同事件而阻塞的多个阻塞队列，则 应将本进程插入到具有相同事件的阻塞(等待)队列。 最 后，转调度程序进行重新调度，将处理机分配给另一 就绪进程，并进行切换，亦即，保留被阻塞进程的处 理机状态(在PCB中)，再按新进程的PCB中的处理机状 态设置CPU的环境。
中断请求
中断响应
保护CPU现场 识别中断源
转中断 处理程序
退出中断
恢复CPU现场
向CPU
内核对中断的有限处理方式 中 断 源 — 引起中断的异步事件（如：系统调用，I/ O 请求，进程调度， 设备驱动，文件处理等）。 中断请求 — 向CPU发出中断信号。 中断响应 — CPU停止执行当前进程，分辨中断请求的类型。 中断处理 — CPU将请求交相关的中断处理程序处理。 中断返回 — 众多处理结束，返回断点。
第二章 进程的描述和控制 • 2.3 进程控制
• 2.4 进程同步
2.3 进程控制 2.3.1 操作系统内核
操作系统中，为了防止用户进程对OS及PCB等 关键信息的破坏。 一个进程在其生命期中有 两种机器运行状态： – 系统态 （核心态,管态） 具有较高的访问权， 可访问核心模块。 – 用户态 （目态 ） 限制访问权。
2.3.5进程的挂起与激活 • 进程的挂起
– 当出现了引起进程挂起的事件时，比如，用户 进程请求将自己挂起，或父进程请求将自己的 某个子进程挂起， 系统将利用挂起原语 suspend( )将指定进程或处于阻塞状态的进程 挂起。挂起原语的执行过程是：首先检查被挂 起进程的状态，若处于活动就绪状态，便将其 改为静止就绪；对于活动阻塞状态的进程，则 将之改为静止阻塞。 为了方便用户或父进程考 查该进程的运行情况而把该进程的PCB复制到 某指定的内存区域。最后，若被挂起的进程正 在执行，则转向调度程序重新调度。
2.4.2 硬件同步机制 • 硬件方案
– 屏蔽中断、TSL(XCHG)指令
硬件解法1—中断屏蔽方法 • “开关中断”指令
执行“关中断”指令 临界区操作 执行“开中断”指令
while (true) { /* disable interrupts */; /* critical section */; /* enable interrupts */; /* remainder */; }
2.3.1 进程源自文库步的基本概念
进程在执行时，各进程具有独立性和异步性等并发特点。系统中进程相 互影响构成制约关系：
感知程度
进程之间不知道对 方的存在
关 系
竞争
进程对其他进程的影响
•一个进程的结果和另一 个进程的执行无关 •进程的执行时间可能会 受到影响 •一个进程的结果可能依 赖于从另一个进程获得 的信息 •进程的执行时间可能会 受到影响 •一个进程的结果可能依 赖于从另一个进程获得 的信息 •进程的执行时间可能会 受到影响
•
简单，高效 代价高，限制CPU并发能力（临界区大小） 不适用于多处理器
• •
硬件解法2 —―测试并设置”（TSL）指令
• 进程的激活过程
– 当发生激活进程的事件时，例如，父进程或用户进程 请求激活指定进程，若该进程驻留在外存而内存中已 有足够的空间时，则可将在外存上处于静止就绪状态 的进程换入内存。这时，系统将利用激活原语active( ) 将指定进程激活。 激活原语先将进程从外存调入内存， 检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为 活动就绪；若为静止阻塞便将之改为活动阻塞。假如 采用的是抢占调度策略，则每当有新进程进入就绪队 列时，应检查是否要进行重新调度，即由调度程序将 被激活进程与当前进程进行优先级的比较，如果被激 活进程的优先级更低，就不必重新调度；否则，立即 剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚被激活的进 程。
A B C
D
E
F
G
H
– 进程间的这种关系是非常有用处 的：
• 子进程继承父进程的资源。 • 子进程被撤消时，要归还从父进 程获得的资源。 • 撤消一个进程时，必须同时/事 先撤消其多有子孙进程。
I
J
K
L
M
进程树
• 进程创建过程
– 1)申请空白PCB。 – 2)为新进程分配资源。 – 3)初始化进程控制块。
•
2)异常结束：
– 在进程运行期间，由于出现某些错误和故障而迫使进程终止。这类异常事件很多，常见的有： • ①越界错误。这是指程序所访问的存储区，已越出该进程的区域； • ②保护错。进程试图去访问一个不允许访问的资源或文件，或者以不适当的方式进行访 问，例如，进程试图去写一个只读文件； • ③非法指令。程序试图去执行一条不存在的指令。出现该错误的原因，可能是程序错误 地转移到数据区，把数据当成了指令； • ④特权指令错。用户进程试图去执行一条只允许OS执行的指令； • ⑤运行超时。进程的执行时间超过了指定的最大值； • ⑥等待超时。进程等待某事件的时间， 超过了规定的最大值； • ⑦算术运算错。进程试图去执行一个被禁止的运算，例如，被0除； • ⑧I/O故障。这是指在I/O过程中发生了错误等。
compete and/or cooperate
相互协作的进程(线程) 如何正确执行？
进程间通信
与时间有关的错误——例子1 • 飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2进 程
T1: ... read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
T2: ... read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
•
3)外界干预：
– 外界干预并非指在本进程运行中出现了异常事件，而是指进程应外界的请求而终止运行。这些 干预有： • ①操作员或操作系统干预。 由于某种原因，例如，发生了死锁， 由操作员或操作系统 终止该进程； • ②父进程请求。 由于父进程具有终止自己的任何子孙进程的权利， 因而当父进程提出 请求时，系统将终止该进程； • ③父进程终止。 当父进程终止时，OS也将他的所有子孙进程终止。
• PSW寄存器包括以下内容：
– 程序基本状态： (1) 程序计数器； (2) 条件码； (3）处理器状态位。 – 中断码。保存程序执行时当前发生的中断事件。 – 中断屏蔽位。指明程序执行中发生中断事件时， 是否响应出现的中断事件。
• 内核是OS中最重要最核心的部分。OS的内 核紧靠硬件，由那些使用频率高，与硬件 紧密相关的模块构成；如中断处理程序， 设备驱动程序等。 • 内核是OS的控制和协调中心，由它组织， 启动和协调系统中各种活动。通常由各种 原语构成。
• 处理器怎么知道当前是操作系统还是一般 用户程序在运行呢?
• 处理器状态
– 处理器状态标志: 管理状态（特权状态、系统 模式、特态或管态）和用户状态（目标状态、 用户模式、常态或目态)。处理器状态的转换。 – 处理器处于管理状态时，程序可以执行全部指 令，使用所有资源，具有改变处理器状态的能 力；处理器处于用户状态时，程序只能执行非 特权指令
• 初始化标志符信息 • 初始化处理机状态信息 • 初始化处理机控制信息
– 4)将新进程插入就绪队列
• 如果进程就绪队列能够接纳新进程， 便将新进程插 入就绪队列。
2.3.3 进程的终止
• 引起进程终止的事件
• 1)正常结束：
– 在任何计算机系统中，都应有一个用于表示进程已经运行完成的指示。例如，在批处理系统中， 通常在程序的最后安排一条Holt指令或终止的系统调用。当程序运行到Holt指令时，将产生一 个中断，去通知OS本进程已经完成。 在分时系统中，用户可利用Logs off去表示进程运行完 毕， 此时同样可产生一个中断，去通知OS进程已运行完毕。