操作系统进程管理OS2_1_(1)

第2章 进程管理
2.1 进程的基本概念
2.2 进程控制
2.3 进程同步
2.4 经典进程的同步问题
2.5 进程通信
2.6 线程
开 始
本章学习目标
在多道程序环境下，程序不能独立运行。作为资源分配和 独立运行的基本单位是进程。操作系统所有的特征都是基 于进程而体现的。所以，本章的学习目标为： 理解进程的概念，掌握进程在系统中的表示方法 理解进程的创建及其状态变化 理解进程切换过程，进程调度的原因及调度切换时机 理解进程同步的实现方法；掌握信号量机制及使用它解 决进程同步问题的方法。 掌握进程通信的机制（共享存储系统；消息传递系统； 管道通信）
返回本章首页 掌握线程的基本概念，了解线程的控制方法及常见的两 类线程
2.1 进程的基本概念
2.1.1 程序的顺序执行及其特征
2.1.2 前趋图
2.1.3 程序的并发执行及其特征
2.1.4 进程的特征与状态
2.1.5 进程控制块
返回本章首页
2.1.1 程序的顺序执行及其特性
由于各类软件的出现及日益复杂化，使得 程序设计的概念和方法有了很大的发展， 在单道程序工作环境中，我们把一个“程 序”理解为“一个在时间上按严格次序前 后相继的操作序列”。
活动阻塞→静止阻塞 当进程处于尚未挂起的阻 塞状态时，称为处于活动阻塞状态，表示为 Blockeda。当用Suspend原语将它挂起后，进程 便转换为静止阻塞，表示为Blockeds。处于该状 态的进程在期待的事件出现后，将从静止阻塞变 为静止就绪。 静止就绪→活动就绪 处于Readys状态的进程， 若用激活原语Active激活后，该进程将转变为 Readya状态。 静止阻塞→活动阻塞 处于Blockeds状态的进程， 若用激活原语Active激活后，进程将转变为 Blockeda状态。
进程的特征
•结构特征 为使程序能并发执行，应为之配置一进程 控制块，即PCB（Process Control Block）。 进程实体由程序段、相关的数据段和PCB三 部分构成。创建进程实质上就是创建进程实 体中的PCB，撤销进程实质上就是撤销进程 的PCB。
进程的特征
•动态性 进程有一定的生命期。动态性表现在：进程由创 建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡。 •并发性 指多个进程实体同存于内存中，且能在一段时 间内同时运行。 •独立性 指的是在传统的没有线程的OS中，进程是一个 能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本 单位。 •异步性
一般来说，输入程序在输入第i+1个程序时，计 算程序可能正在对第i个程序进行计算，而打印程 序正在打印第i-1个程序的计算结果。
I1 I2 I3 I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
该例中存在下述前趋关系：
Ii→Ci ，Ii→Ii+1 ， Ci→Pi， Ci→Ci+1， Pi→Pi+1
而Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即Ii+1和Ci及Pi-1可以 并发执行。
失去可再现性的例子2
一飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2进程
T1 : T2:
...
Read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
...
Read(x); if x>=1 then x:=x-1; write(x); ...
2.1.3 进程的特征和状 态
进程是操作系统中一个最基本也是最重要的概念， 但目前没有一个非常确切的定义。很多人从不同 角度对进程下过定义，较典型的进程定义有： （1）进程是程序的一次执行。
（2）封闭性。程序运行时独占全机资 源；资源的状态（除初始状态外）只有 本程序才能改变它。程序一旦开始运行， 其执行结果不受外界因素影响。
（3）可再现性。只要执行时的环境和 初始条件相同，程序不论是连续执行还 是“走走停停”地执行，都将获得相同
2.1.2 前趋图
定义：前趋图是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的前后关系。图 中每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语 句；结点间的有向边表示两结点间的偏序关系或前趋关 系“→”。前趋关系“→”的定义： →={(Pi,Pj)| Pi must complete before Pj may start}。记作： Pi →Pj。称Pi是Pj的直接前趋，Pj是Pi的直接后继。没有 前趋的称为初始结点（Initial Node），没有后继的称为 终止结点（Final Node）。
I1
I2
I3
I4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
上图中，I 、C和 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Ii的处理，则计算程序就无法进行Ci的处 理，致使计算程序必须暂停运行。
• 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。
（2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执 行时所发生的活动。
（3）进程是程序在一个数据集合上运行的过程， 它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 本教材定义进程为：进程是进程实体的运行过程， 是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
进程与程序的区别
•进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码 的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计 算机之间迁移；而程序通常对应着文件、静态和 可以复制。 •进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态 变化的过程，程序可长久保存。 •进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、 数据和进程控制块（即进程状态信息）。 •进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程 序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可 包括多个程序。
就绪
时间片完 I/O完成
阻塞 I/O请求 进程调度 执行
1、处于就绪绪状态的进程， 在调度程序为之分配了处 理机之后，该进程便可执 行，相应地它就由就绪态 变为执行状态； 2、如果因发生某事件而使 进程的执行受阻，使之无 法继续执行，该进程将由 执行状态转变为阻塞状态； 如果分配给它的时间片已 完而被暂停执行时，该进 程由执行状态回复到就绪 状态。
I1
C1Leabharlann P1 图2-1 （a）I2
C2
P2
图2-1 （a）中有偏序关系: Ii→ Ci → Pi S1 S2 图2-1 （b） 图2-1 （b）中有偏序关系:S1→ S2→ S3 S3
P2 P5
P1
P3
P6 P4 P7
P8
P9
(a) 具有九个节点的前趋图 以上前趋图中，存在如下前趋关系： P1→P2， P1→P3， P1→P4， P2→P5， P3→P5， P4→P6， P4→P7， P5→P8， P6→P8， P7→P9， P8→P9 或表示为： 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)}
引入了挂起状态的进程状态转换
引入挂起状态的原因：
•终端用户的请求。当终端用户在自己的程序运行期间 发现有可疑问题时，希望暂时使自己的程序静止下来。 这种静止状态就是挂起状态。
•父进程请求 父进程要求挂起自己的子进程，以便考 查和修改；
•负荷调节的需要 实时系统中负荷较重时，系统会把 一些不重要的进程挂起； •操作系统的需要 操作系统希望挂起一些进程，以便 检查运行中的资源使用情况。
有如有程序段： S1: a:=x+2 S2: b:=y+4 S3: c:=a+b S4: d:=c+b
该例中存在下述前趋关系：
s1
S3 S2 S4
S3必须在a和b被赋值后方能执行；S4必须在S3之 后执行；但S1和S2则可以并发执行。
程序并发执行时的特征
• 间断(异步)性：“执行——暂停——执行” ，一个程序可能走到中途停下来，失去原有 的时序关系。由于程序并发执行时共享系统 资源，以及为完成同一项任务而相互合作， 致使在这些并发执行的程序之间，形成了相 互制约的关系。
程序顺序执行的图示
对于程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序问题， 如对于包含下述三条语句的程序段：
S1: a=x+y; S2: b=a-5; S3: c=b+1;
可表示为： S1 S2 图2-1 （b） S3
一切顺序执行的程序都具有下列特性： （1）顺序性。即每一操作都必须在上 一个操作结束之后开始。
图 进程的三种基本状态及其转换 3、正在执行的当前进程，
下一页
就绪 时间片完 I/O完成 阻塞
进程调度
执行
I/O请求
图 进程的三种基本状态及其转换 状态变化有 ： （1）就绪状态变化到运行状态 。 （2）运行状态变化到就绪状态。 （3）运行状态变化到阻塞状态。 （4）阻塞状态变化到就绪状态。
返回本节目录
引入挂起状态后的进程状态转换
引入挂起之后，增加了从挂起状态（又称静止状 态）到非挂起状态（又称活动状态）的转换；或 者相反。有以下几种情况： 活动就绪→ 静止就绪 当进程处于未被挂起的 就绪状态时，称为活动就绪，表示为Readya。 当用挂起原语Suspend将该进程挂起后，该进 程转换为静止就绪状态，表示为Readys，处于 Readys状态的进程不再被调度执行。
程序顺序执行的图示
例如，进行计算时，总需要首先输入数据，然后进行计 算，最后才能打印计算结果。假如用I表示输入，C表示 计算，P表示打印，并且用箭头表示操作的先后次序。则 输入数据，计算数据，打印计算结果这样一段程序 可表示为：