进程的概念

执行 调度 挂起 时间片到
请求I/O
激活 活动就绪 静止就绪
挂起
I/O完成 I/O完成
激活
活动阻塞 挂起 静止阻塞
图2.4 具有挂起状态的进程状态变迁过程
2.1.4 进程控制块
由于多个程序并发执行，各程序需要轮流使 用 CPU ，当某程序不在 CPU 上运行时，必须保留其 被中断的程序的现场，包括：断点地址、程序状 态字、通用寄存器的内容、堆栈内容、程序当前 状态、程序的大小、运行时间等信息，以便程序 再次获得CPU时，能够正确执行。 为了保存这些内容，需要建立一个专用数据 结 构 ， 我 们 称 这 个 数 据 结 构 为 进 程 控 制 块 PCB （Process Control Block）。
由于观察者和报告者各自独立地并行工 作，n=n+1的操作，既可以在报告者的 print (n) 和n=0操作之前，也可以在其后， 还可以在print (n) 和n=0之间，即可能出 现以下三种执行序列： ① n=n+1；print(n) ；n=0； ② print(n) ；n=0 ；n=n+1； ③ print(n) ；n=n+1 ；n=0； 假设在开始某个循环之前，n的值为s， 则在完成一个循环后，对上述三个执行序 列打印机打印的n值和执行后的n值如下表 所示：
2.1.3 进程状态及其转换
1.进程的三种基本状态及其转换 ① 运行状态。 ② 阻塞状态。 ③ 就绪状态。 进程的各个状态变迁如图2.3。 ① 就绪→运行。 ② 运行→阻塞。 ③ 阻塞→就绪。 ④ 运行→就绪。
就绪
时间片到 I/O完成 进程调度
阻塞
I/O请求
运行
图2.3 进程的各个状态及其转换
2. 具有挂起状态的进程状态转换
上述这些从不同角度对进程所做的解释或所 下的定义，有些是近似的，有些则侧重某一方面， 这说明进程这一概念尚未完全统一，但长期以来 却巳广泛而成功地用于许多系统之中，成为构造 操作系统的不可缺少的强有力的工具。为了强调 进程的并发性和动态性，我们给进程作如下定义： 进程是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。
进程控制块是进程存在的惟一标志，它跟踪 程序执行的情况，表明了进程在当前时刻的状态 以及与其它进程和资源的关系。当创建一个进程 时，实际上就是为其建立一个进程控制块。 在通常的操作系统中，PCB应包含如下一些信息： ① 进程标识信息。 ② 位臵信息。 ③ 状态信息。 ⑤ 进程现场保护区。 ⑥ 资源清单。 ⑦ 队列指针或链接字。 ⑧ 其它信息。
2.1.2 进程定义
20世纪60年代中期MULTICS系统的设计者和以 E.W.Dijkstra为首的T.H.E系统的设计者开始广泛 使用“进程”（process） 这一新概念来描述系 统和用户的程序活动。进程是现代操作系统中的 一个最基本也是最重要的概念，掌握这个概念对 于理解操作系统实质，分析、设计操作系统都有 其非常重要的意义。 迄今为止，对这一概念尚无一个非常确切的、 令人满意的、统一的定义，不同的人，站在不同 的角度，对进程进行了不同的描述。
int n=0; void observer(void) { while (1) { … n=n+1； remainder of observer； } } void reporter(void) { while(TRUE) { … print(n)； n=0； remainder of reporter； } } void main( ) { parbegin(observer( ),reporter( )); }
程序的并发执行所表现出的特性说明以下两个问题： ⑴ 程序和计算机执行程序的活动不再一一对应 ⑵ 并发程序间存在相互制约关系 程序之间的制约关系有两种： 直接制约关系和间接制约关系。 ① 直接制约关系通常是在彼此之间有逻辑关系的两个 并发执行的程序之间发生的，一般是由于各个程序段 要求共享信息引起的。 ② 间接制约关系是由于两个并发程序段由于竞争使用 同一资源引起的，得到资源的程序段可以继续执行， 得不到资源的程序段就只好暂停等待，直至获得可用 资源时再继续运行。
目前常用的PCB的组织方式有以下三种： ① 线性表方式：不论进程的状态如何，将所有的 PCB连续地存放在内存的系统区。这种方式适用于 系统中进程数目不多的情况。按线性方式组织PCB 的情况如图2.5。
PCB1
PCB2
PCB3
……
PCBn
图2.5 用线性表方式组织PCB
② 链接表方式：系统按照进程的状态将进程 的PCB链接成队列，从而形成就绪队列、阻 塞队列、运行队列等。按链接方式组织PCB 的情况如图2.6。 ③ 索引表方式：系统按照进程的状态分别建 立就绪索引表、阻塞索引表等，通过索引 表来管理系统中的进程。按索引方式组织 PCB的情况如图2.7。
表2.1 三个执行序列的情况 执行序列 打印的N值 执行后的N值 ① s+1 0 ② s 1 ③ s 0
由上表可见，由于观察者和报告者的执 行速度不同，导致了计算结果的不同，这 就是说，程序并发执行已丧失了顺序执行 所保持的封闭性和可再现性。而产生了如 下一些新的特征： ① 间断性 ② 失去封闭性 ③ 不可再现性
进程通常分为两类，一类是系统进程，另一 类是用户进程。它们的区别是：
① 系统进程是操作系统用来管理系统资源并行活动的并发 软件；用户进程是可以独立执行的用户程序段，它是操作 系统提供服务的对象，是系统资源的实际使用者。 ② 系统进程之间的关系由操作系统自己负责，这样有利于 增加系统的并行性，提高资源的利用率；用户进程之间的 关系主要由用户自己负责，为了便于用户管理自己的任务， 操作系统提供一套简便的任务调用命令作为协调手段，并 在用户区根据用户作业的性质（是单任务还是多任务）装 入相应的任务调度程序。 ③ 系统进程直接管理有关的软、硬设备的活动；用户进程 只能间接地和系统资源发生关系，当用户进程需要某种资 源时，它必须向系统提出请求，由系统调度和分配。 ④ 在进程调度中，系统进程的优先级高于用户进程。无论 是系统进程还是用户进程，对核心层来说它们都是基本的 活动单位。
图2.7 用索引表方式组织PCB
2.1.5 进程的特性
前面我们通过程序并发执行时所产生的问题 引出了进程的概念，并描述了进程、进程状态以 及进程状态之间的转换，现在，我们对进程的特 征进行梳理，以便更好地理解进程。 ① 进程具有动态性。 ② 进程具有并发性。 ③ 进程具有结构特性。 ④ 进程具有独立性。 ⑤ 进程具有异步性（不确定性）。
1.程序的顺序执行及其特性
一个具有独立功能的程序独占 CPU 运行，直至得到 最终结果的过程称为程序的顺序执行。例如，用户要求 计算机完成一道程序的运行时，通常先输入用户的程序 和数据，然后运行程序进行计算，最后将结果打印出来。 假设系统中有2个程序，而每个程序都由三个程序段I、 C、P组成，其中，I表示从输入机上读入程序的信息，C 表示执行程序的计算过程， P 表示在打印机上打印出程 序的计算结果。在单道环境下，每一程序的这三个程序 只能是一个接一个地顺序执行，也就是输入、计算和打 印三者串行工作，并且前一个程序结束后，才能执行下 一个程序。
I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
图2.2 输入、计算、打印程序对一批程序进行处理的执行顺序
程序的并发执行，是否还能保持顺序执行时 的特性呢？下面我们通过例子来说明程序并发执 行时的特性。 设有观察者和报告者并行工作。在一条单向 行驶的公路上经常有卡车通过。观察者不断观察 并对通过的卡车计数，报告者定时地将观察者的 计数值打印出来，然后将计数器重新清“0”。 此时我们可以写出如下程序，其中parbegin 表示多个程序可以并发执行。
在许多系统中，进程除了具有上述三种基本状 态以外，又增加了一些新状态，其中最重要的是 挂起状态，引入挂起状态的主要原因是内存资源 不足。另外当有终端用户请求、父进程请求、负 荷调节需要等情况时，也要用到挂起状态。 可有以下几种情况： ① 活动就绪→静止就绪。 ② 活动阻塞→静止阻塞。 ③ 静止就绪→活动就绪。 ④ 静止阻塞→活动阻塞。 具有挂起状态的进程状态变迁过程如图2.4。
I1
C1
P1
I2
C2
P2
图2.1 程序的顺序执行
程序的顺序执行具有如下特点：
① 顺序性。 ② 独占资源。 ③ 结果无关性。 上述特点概括起来就是程序的顺序性、封闭性和可再 现性。 所谓顺序性指的是程序的各部分能够严格地按程序所 确定的逻辑次序顺序地执行。 所谓封闭性指的是程序一旦开始执行，其计算结果就 只取决于程序本身，除了人为改变机器运行状态或机器故 障外，不受外界因素的影响。 所谓可再现性是指当该程序重复执行时，必将获得相 同的结果。这给程序的调试带来了很大的方便。
第 2章
教学要点：
进程管理
本章主要内容是程序的并发执行及进程的概念， 进程的状态及其转换，进程的同步与互斥，进程通 信与调度，进程死锁的概念及解决死锁的方法，线 程的概念及其实现，Linux中进程的实现。
2.1 进程的概念
2.1.1 程序的并发执行
如果多道程序同时在不同的CPU上执行，则称 之为“并行”，如果它们分时地运行在同一个CPU 上则称之为“并发”。 逻辑上的并行称为“并发”。 程序的并发执行是在多道程序环境下完成的， 而在单道程序工作环境中，程序是顺序执行的。 程序的这两种不同的执行方式，体现出不同的特 性。
PCB1
执行指针
4
3 0 8 7
PCB2 PCB3 PCB4 PCB5 PCB6
就绪队列指针
阻塞队列指针
PCB7
空闲队列指针
9
0 1
PCB8 PCB9
……
图2.6 用链接表方式组织PCB
执行指针
就绪索引表