第3章进程管理(1)

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 (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)
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程序顺序执行时的特征

（1） 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。 （2） 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。 （3） 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。
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3.2.2 进程的结构特征
进程的静态描述：由三部分组成 PCB、有关程序段和该程序段对其进行操作的数 据结构集。 各部分的作用： 1 进程控制块：用于描述进程情况及控制进程运行所 需的全部信息。 2 程序段：是进程中能被进程调度程序在 CPU上执行 的程序代码段。 3 数据段：一个进程的数据段，可以是进程对应的程 序加工处理的原始数据，也可以是程序执行后产生 的中间或最终数据。

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作业和进程的关系 （区别） 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。 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。 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。 进程：一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机 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 21 规定操作的一组存储单元的内容。 ）
–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。
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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，共享一个变量N。 程序A: N：＝N＋1； 程序B: print（N）； N=0 ； （假定某时刻变量N的值为n） （1） N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之前，此时得到的 N值分别为n＋1，n＋1，0 （2）N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之后，此时得到的N 值分别为 n， 0， 1 （3） N：＝N＋1在 print（N）和N：＝0之间，此时得到的 N值分别为 n， n＋1， 0
结 点：表示一个语句、程序段、进程 有向边：表示结点间的偏序关系（前驱关系）
→={(Pi , Pj)|Pi must complete before Pj may start} 若(Pi , Pj) ∈→，可写成 Pi →Pj，称 Pi是 Pj的直接前驱，而 Pj是Pi的直接后继。
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2
5
1
3 6
7
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三、 多道程序系统中，程序执行环境的变化
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 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，则有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
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PCB表： 系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在 内存的固定区域，就构成了PCB表 PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在 的进程个数，称为系统的并发度
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PCB的组织方式
常用的组织方式有两种：链接方式、索引方式。 1、 链接方式： 具有相同状态的PCB，用其中的链接字，链接 成一个队列。这样就可以形成就绪队列、若 干个阻塞队列和空白队列等。对其中的就绪 队列常按照进程优先权的大小排列，把优先 权高的进程的PCB排在队列前面。
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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， 致使计算程序暂停运行。)
失去封闭性
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3.进程调度信息
在PCB中还存放了一些与进程调度和进程兑换有关的 信息。 （1）进程状态。指明进程当前的状态，作为进 程调度和对换时的依据。 （2）进程优先级。用于描述进程使用处理机的 优先级别的一个整数，优先级高的进程优先获得 处理机。 （3）进程调度所需要的其他信息。（进程已等 待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和） （4）事件。这是进程由执行状态转变为阻塞状 态所等待发生的事件。（阻塞原因）
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S4
二、 程序的顺序执行


一个较大的程序通常都是由若干个程序段 组成。在程序执行时，必须按照某种先后 次序逐个执行，仅当前一操作执行完后， 才能执行后继操作。 例如：在进行计算时，总是先输入用户 的程序和数据，然后才能计算，计算完成 后再将结果打印出来。
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I1
C1
P1
I2
C1
P2
程序顺序执行时的前驱图
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2、处理机状态信息
处理机状态信息主要是由处理机各种寄存器中的内 容所组成。 通用寄存器。又称为用户可视寄存器，可被用户程 序访问，用于暂存信息。 指令寄存器。存放要访问的下一条指令。 程序状态字PSW。其中含有状态信息。（条件码、 执行方式、中断屏蔽标志等） 用户栈指针。每个用户进程有一个或若干个与之相关 的系统栈，用于存放过程和系统调用参 数及调用地址。栈指针指向该栈的栈顶。
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例：若有两条语句C＝a－b和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 R（C：＝a－b）＝{a，b}；R（W：＝c＋1）＝{c} W（C：＝a－b）＝{c} ；W（W：＝c＋1）＝{w} R（C：＝a－b）∩W（W：＝c＋1）={Φ } R（W：＝c＋1）∩W（C：＝a－b）={c} 所以：两条语句不能并发执行。
4 存在下面的前驱关系： P1 → P2, P1 → P3，P1 → P4, P2 → P5， P3 → P5, P4 → P6，P5 → P7, P6 → P7
或表示为： P＝{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7} →={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,p5),(P4,P6),(P5,P7), (P6,P7)} 4
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程序的顺序执行、程序的并发执行特征比较 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
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3.1.2 进程的引入
多道程序系统的特点是并行性。为了充分利 用系统资源，在主存中同时存放多道作业运 行，所以各作业之间是并行的 各程序由于同时存在于主存中，它们之间必 定会存在相互依赖，相互制约的关系。 （间 接制约关系、直接制约关系） 在多道程序系统所带来的复杂环境中，程序 具有了并行、制约、动态的特性，原来的程 序概念，难以刻画系统中的情况了。 –程序本身完全是静态的概念 –程序概念也反映不了系统中的并行特性

注意：前驱图中不存在循环。 S2 S3 ， S3 S2 显然这种前驱关系是不可能满足的，S3的执 行要依赖于S2的执行结果，S2的执行结果又要 依赖于S3的执行结果，这种程序是不可能执行 下去的。
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例：下述四条语句的程序段画出前驱图 S1： a：＝x+2 S2： b：＝y＋4 S3： c：＝a＋b S4： d：＝c＋6 S1 S3 S2
第三章 进程管理
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主要内容



3.1 进程的基本概念 3.2 进程的描述 3.3 进程的基本状态 3.4 进程控制 3.5 实例研究:UNIX SVR4的进程管理 3.6 进程同步 3.7 死锁 3.8 线程
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3.1 进程的基本概念
3.1.1
程序的并发执行
一、前驱图（Procedence Graph） 是一个有向无循环图。用来描述程序各部分间的依赖 关系或一个大的计算各子部分间的因果关系。 • 前趋图中的元素：
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程序并发执行的条件
1966年，Bernstein提出了相邻语句S1， S2可以并发执行的条件。
如果并发执行的各程序段中语句或指令满足 Bernstein的三个条件，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。
16Байду номын сангаас
将程序中任一语句Si划分为两个变量的集合R（Si） 和W（Si）其中 R（Si）＝{a1,a2,……am}是语句Si在执行其间必须 对其进行读写的变量 W（Si）＝{b1，b2，……bn}是语句Si在执行其间 必须对其进行修改，访问的变量 如果对于语句S1和S2，有 ① R(S1)∩W(S2)＝{Φ } ② W(S1)∩R(S2)＝{Φ } ③W(S1) ∩W(S2)={Φ }同时成立 即：R(S1)∩W(S2) ∪W(S1)∩R(S2)∪W(S1) ∩W(S2)＝{Φ }则语句S1和S2是可以并发执行的。
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3.2 进程的描述 3.2.1 进程的特征
1．动态性
动态性是进程最基本的特征。
2. 并发性
指多个进程实体，同时存于内存中，能在一段时间内 同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也成为 OS 的重要特征。引入进程的目的也是为了使该进程 的程序能和其它进程的程序并发执行。
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3.独立性 进程实体是一个能独立运行的基本单位， 同时也是系统中独立获得资源和独立调度的 基本单位。没有建立进程的程序，不能作为 一个独立的单位参加运行。 4.异步性 进程按各自独立的、不可预之的速度向前 推进 5.结构特性 从结构上看，进程是由程序段、数据段及 进程控制块三部分组成。

比较进程和程序的区别： 1 进程是一个动态的概念，进程的实质是程序的一 次执行过程，动态性是进程的基本特征，同时进 程是有一定的生命期的；而程序只是一组有序指 令的集合，本身并无运动的含义，是静态的。 2 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。 3 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。 ４ 不同的进程可以包含同一个程序，同一个程序在 执行中也可以产生多个进程。
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四、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
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在上图中存在下属的前驱关系： Ii Ci ，Ii Ii＋1，Ci Pi，Ci Ci＋1， Pi Pi＋1 Ii＋1和Ci及Pi－1是可以并发执行的。

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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。 即 时间段的并行。
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进程控制块中的信息
进程控制块中主要包括四个方面用于描述和控制进程 运行的信息。
1.进程标识符信息
进程标识符用于唯一的标识一个进程。 外部标识符。由创建者提供，通常是由字母、数 字组成，往往是用户（进程）访问该进程使用。如： 计算进程、打印进程、发送进程、接收进程等。 内部标识符：为了方便系统使用而设置的。在所 有的OS中，都为每一个进程赋予一个唯一的整数，作 为内部标识符。通常就是一个进程的符号，为了描述 进程的家族关系，还应该设置父进程标识符以及子进 程标识符。还可以设置用户标识符，来指示该进程由 哪个用户拥有。