第2章 处理器管理及并发进程
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2.1.4 并发程序执行的条件
• 具有何种特性的两个程序并发执行呢？关于这个问题， Bernstein 作过研究，并于 1966 年提出了两个程序并发执行的条 件，故又称之为 Bernstein 条件，即并发进程如果是无关的，则 这些进程可以并发执行。并发进程的无关性是指它们分别在不 同的变量集合上运行。下面对Bernstein条件做简单介绍。 • 约 定 程 序 Pi 在 执 行 期 间 所 需 引 用 的 变 量 的 集 合 ， 记 作 R(Pi)={a1,a2,a3,…,an}，实际上，R(Pi)就是Pi的读集。 • 约 定 程 序 Pi 在 执 行 期 间 所 需 修 改 的 变 量 的 集 合 ， 记 作 W(Pi)={b1,b2,b3,…,bm}，实际上，W(Pi)就是Pi的写集。 • 有了以上的约定， Bernstein 条件就可以表述为：如果两个程序 P1和P2满足R(P1)∩W(P2)∪R(P2) ∩W(P1) ∪W(P1) ∩W(P2)={}， 它们就能够并发执行，否则不能并发执行，会发生与时间有关 的错误。
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• 从总体上看，采用多道程序设计技术可以增加单 位时间内执行的作业数，但是，对于某一个作业 而言，它的执行时间可能会延长。
• 【例2-1】在一个单处理器的系统中，假设有两道 作业，一道单纯计算11分钟，另一道先计算3分 钟，再打印6分钟。请问在单道程序设计系统中， 两道作业的执行总时间至少为多少分钟？而在多 道程序设计系统中，这一时间又至少为多少分钟？
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• 从进程的定义中，可以看出进程具有以下六个属性。 (1) 动态性：进程是程序的一次执行活动，执行轨迹是“走走停停， 停停走走”，并且进程具有创建、运行到终止的生命历程。因 此，动态性是进程的一个重要属性．而程序是静态的，没有生 命周期，程序作为一种系统资源（文件形式）可以长久存在。 程序和进程的本质区别就是：程序是静态的，进程是动态的。 (2) 结构性：进程不仅包括了运行于其上的程序，还包括了某个数 据集合。为了在操作系统内部实现进程，就需要一个数表结构， 即进程控制块来记录和描述进程的动态运行情况。因此，一个 进程都是有程序代码段、数据块和进程控制块三部分组成。 (3) 独立性：在传统的操作系统中，进程既是资源的分配和保护的 基本单位，也是处理器调度的基本单位。在具有并发活动的系 统中，没有建立进程的程序，是不能够作为独立单位进行运行 的。在现代操作系统中，具有多进程多线程能力，进程仍然作 为资源的分配和保护的独立单位，而调度和执行的基本单位改 为由线程来完成。
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• 值得注意的是，Bernstein条件是一个理论上保证 程序能够并发执行的充分条件。在操作系统中， 由于进程间共享某些资源而不满足Bernstein条件 的情况十分普遍，从理论上讲，它们是不能够并 发执行的，否则会发生与时间有关的错误。但是， 只要采取适当的措施，这些进程就可以正确、安 全地并发执行，这可以通过信号量和PV操作或者 管程机制等来予以解决。这些是涉及到进程互斥 和同步部分的内容，本章后面会详细介绍。
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• 进程不是程序，而是程序的一次执行活动， 和传统的程序概念有着本质的区别。在日 常生活中，很容易找到类似于“程序”和 “进程”的例子，例如厨师炒菜，菜谱相 当于程序，一次炒菜过程就是一个“进 程”；再如乐谱和演奏，乐谱相当于程序， 而一次演奏就相当于一个进程；此外，火 车时刻表以及列车的运行，课程表和上课， 都有类似关系。
第2章 处理器管理及并发进程
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本章学习任务
进程与线程 进程调度 进程互斥与同步 管程 进程通信 死锁
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2.1.1 程序的顺序执行
•Байду номын сангаас示意图
I1 P1 O1 I2 P2 O2 I3 P3 O3
• 特点
简单、方便，容易理解； 确定性； 封闭性； 可再现性。
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I1 P1 O1
I2
P2
O2
I3
P3
O3
• 并发执行的特点 程序运行“走走停停，停停走走”；由于在并发 环境下，各个程序不再独立，破坏了顺序程序的 确定性、封闭性和可再现性。
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2.1.3 多道程序设计
• 主存中每次只存在一个程序，该程序运行时独占 整个计算机系统资源，这种程序设计方式就是 “单道程序设计”，而让多个程序同时进入一个 计算机系统的主存储器并发执行，这种程序设计 方式就是“多道程序设计”。 • 具有多道程序设计能力的计算机系统称为多道程 序设计系统。 • 采用多道程序设计的好处是：充分发挥了计算机 硬件的并行性，消除了处理器和外围设备的互相 等待现象，大大提高了系统的效率。
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• 解答：在单道系统中，两道作业必须顺序运行， 因此执行的总时间是11+（3+6）=20（分钟）。 而在多道程序设计系统中，可以让第二道作业先 进行执行，计算3分钟后，进行打印，接下去第一 道作业进行计算，这时处理器和打印机真正并行 工作，因此，这时，两道作业的执行总时间是 3+11=14（分钟）。
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2.1.2 程序的并发执行
• 并发（Concurrency）：一个程序的执行还没有 结束，另一个程序就已经开始。因此，从某个宏 观时间段来考察，在这段时间内，“同时”完成 了几个程序，这就叫并发，但从微观某个时刻来 看，任何时刻却只有一个程序在运行。 • 并发性有两层含义： ①内部顺序性，对于一个程序而言，它的所有指 令是按序执行的； ②外部的并发性，对于多个程序而言，它们是交 叉运行的。
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•
顺序程序设计的四个特点，使得编程和调试 很方便，缺点就是计算机资源使用效率不高。我 们知道，操作系统是管理和控制计算机系统资源 并方便用户使用的一种最重要的系统软件，提高 资源的使用效率是操作系统设计的主要目标之一。 因此，必须要提出一种程序的执行方式，提高系 统的效率，这就是程序的并发执行。
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• (4). 并发性：并发性是进程的固有特性，引入进程的目的 之一就是让进程能够并发执行。并发性也是现代操作系统 的一个重要属性。并发就是指一个进程运行没有结束，另 一个进程就已经开始，各个进程运行在时间上可以有重叠。 • (5)制约性：并发进程由于共享资源和相互协作，从而产生 制约关系，使得进程在关键点上需要相互等待或互相通信， 采取一些必要的措施，才能保证进程执行的结果的确定性、 唯一性和可再现性。 • (6)共享性：同一个程序的各个进程对应的程序代码是相同 的，此外，不同进程之间还可以共享公共变量，以竞争或 协作的方式进行工作。
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2.2 进程
• • • • 2.2.1 进程的定义及其属性 2.2.2 进程的状态及其转换 2.2.3 进程控制块 2.2.4 进程队列
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2.2.1 进程的定义及其属性
• 进程是操作系统中最基础也是最重要的 概念
• 我们采用进程定义如下： 进程是并发环境下，一个具有独立功能的 程序在某个数据集上的一次执行活动，它 是操作系统进行资源分配和保护的基本单 位，也是执行的单位。
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• 【例2-2】在一个单处理器的多道程序设计系统中， 现在有两道作业将要同时执行，一道作业以计算为主， 一道作业以I/O操作（输入输出）为主，请问，先调 度哪个作业进程？为什么？ • 解答：在现代计算机系统中，处理器可以和外部设备 真正并行工作。因此，本题中，应该先调度I/O型的 作业进程，赋予I/O型的作业进程更高的优先级，这 样做的好处是可以提高系统资源的使用效率。这是因 为，将I/O型的作业进程先调度运行，利用CPU进行 运算，完成后让出CPU处理器，进行输入输出处理， 而此时可以调度计算型作业进程到处理器上运行，这 样做到CPU与外部设备并行工作，提高了资源利用率。 例2-1用到了这一思想。
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2.2.2 进程的状态及其转换
• 进程具有并发性、制约性、动态性、结构 性以及独立性，运行轨迹是“走走停停， 停停走走”，有时在占用处理器，有时又 在申请外部设备，有时又在进行I/O处理。 为了刻画每个进程活动的过程和状态的变 化，以及为了进程控制和调度的方便，就 要记录和控制进程的运行过程，这就是进 程的状态。
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• 并行（Parallel）：若干个程序在微观上也是同时 执行的，当然，对于程序的并行执行，需要多个 处理器。 • 本书中，主要讨论单CPU的情况，因此，程序的 执行是并发执行。 • 现代计算机系统由于采用了通道等技术，使得处 理器与外围设备能够并行工作。
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• 并发执行示意图
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• 下面对程序和进程的联系作个简单介绍。从进 程的结构特性可以看出，进程包含程序，但进 程和程序并非一一对应，一个程序可以对应多 个进程（数据集不同），而同样，有的进程对 应一个程序，而有的程序可被属于不同的进程 的几个程序进行调用，每次调用就对数据进行 一次处理，而这个处理过程只是相应进程的一 部分。
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• 为了管理上的方便，大多数系统中进程都具有以下三种基 本的状态。 (1)运行态（ Running ）：此时的进程获得了当时运行所需的 系统资源，并且正在占有CPU进行处理。 (2)等待态（ Waiting ），也叫阻塞态（ Blocked ）：运行中的 进程，由于要申请使用某个系统资源，或者申请到了某个 外部设备正在进行与外部设备进行数据传输 , 或者进程运 行中出现了异常需要等待用户进行干涉处理，这时的进程 就不能继续运行下去，而不得不放弃CPU，从而转入等待 态。 (3)就绪态（Ready ）：处于等待态的进程，由于所等待的事 件得到了满足，这时就转入到就绪态。就绪态的进程，运 行所需要的系统资源，除了CPU之外，全部得到了满足， 可是说“万事俱备，只欠CPU”。
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• 【例2-4】对于下列四条语句，将它们的读集和写集都写出来。 解答： 语句 读集R(si) 写集W(si) s1: a=x*y; R(s1)={x,y} W(s1)={a} s2: b=z-1; R(s2)={z} W(s2)={b} s3: c=b+a+8; R(s3)={a,b} W(s3)={c} s4: w=c+5; R(s2)={c} W(s2)={w} 运用Bernstein条件，有： R(s1) ∩W(s2) ∪R(s2) ∩W(s1) ∪W(s1) ∩ W(s2)= {}，因此，语句s1和 s2可以并发执行； R(s1) ∩W(s3) ∪R(s3) ∩W(s1) ∪W(s1) ∩ W(s3)= {a}≠{}，因此语句s1 和s3不能并发执行。 同理语句s2和s3，s3和s4也不能并发执行。
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• 【例 2-3 】 有一台计算机，配置有 1MB 主存，操作系统占 用200KB，每个用户进程各占用200KB，如果用户进程等 待I/O的时间为70%，若增加1MB主存，则CPU的利用率提 高多少？再增加1MB主存，则CPU的利用率比只有1MB主 存时又提高多少？ • 解答：当只有1MB主存时，除了操作系统占用的200KB， 则其余的 800KB 主存可以容纳 4 个用户进程。由于每个进 程等待I/O的时间为70%，那么只有四个进程都同时等待时， CPU 才 是 空 闲 的 ， 那 么 CPU 的 利 用 率 是 1 － （ 0.7 ） 4= 0.7599 ≈ 0.76；假如再增加1MB主存，则主存中的用户进 程共 4+5=9 个， CPU 的利用率是１－（ 0.7 ） 9 ≈ 0.9596 ≈ 0.96 ， 那 么 CPU 的 利 用 率 提 高 了 （ 0.96 － 0.76 ） /0.76×100% ≈ 26%。若再增加1MB主存，则CPU的利用率 是 1 －（ 0.7 ） 14 ≈ 0.99 ， CPU 的利用率又提高了（ 0.99 － 0.76）／0.76×100% ≈ 30%。
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2.1.4 并发程序执行的条件
• 具有何种特性的两个程序并发执行呢？关于这个问题， Bernstein 作过研究，并于 1966 年提出了两个程序并发执行的条 件，故又称之为 Bernstein 条件，即并发进程如果是无关的，则 这些进程可以并发执行。并发进程的无关性是指它们分别在不 同的变量集合上运行。下面对Bernstein条件做简单介绍。 • 约 定 程 序 Pi 在 执 行 期 间 所 需 引 用 的 变 量 的 集 合 ， 记 作 R(Pi)={a1,a2,a3,…,an}，实际上，R(Pi)就是Pi的读集。 • 约 定 程 序 Pi 在 执 行 期 间 所 需 修 改 的 变 量 的 集 合 ， 记 作 W(Pi)={b1,b2,b3,…,bm}，实际上，W(Pi)就是Pi的写集。 • 有了以上的约定， Bernstein 条件就可以表述为：如果两个程序 P1和P2满足R(P1)∩W(P2)∪R(P2) ∩W(P1) ∪W(P1) ∩W(P2)={}， 它们就能够并发执行，否则不能并发执行，会发生与时间有关 的错误。
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• 从总体上看，采用多道程序设计技术可以增加单 位时间内执行的作业数，但是，对于某一个作业 而言，它的执行时间可能会延长。
• 【例2-1】在一个单处理器的系统中，假设有两道 作业，一道单纯计算11分钟，另一道先计算3分 钟，再打印6分钟。请问在单道程序设计系统中， 两道作业的执行总时间至少为多少分钟？而在多 道程序设计系统中，这一时间又至少为多少分钟？
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• 从进程的定义中，可以看出进程具有以下六个属性。 (1) 动态性：进程是程序的一次执行活动，执行轨迹是“走走停停， 停停走走”，并且进程具有创建、运行到终止的生命历程。因 此，动态性是进程的一个重要属性．而程序是静态的，没有生 命周期，程序作为一种系统资源（文件形式）可以长久存在。 程序和进程的本质区别就是：程序是静态的，进程是动态的。 (2) 结构性：进程不仅包括了运行于其上的程序，还包括了某个数 据集合。为了在操作系统内部实现进程，就需要一个数表结构， 即进程控制块来记录和描述进程的动态运行情况。因此，一个 进程都是有程序代码段、数据块和进程控制块三部分组成。 (3) 独立性：在传统的操作系统中，进程既是资源的分配和保护的 基本单位，也是处理器调度的基本单位。在具有并发活动的系 统中，没有建立进程的程序，是不能够作为独立单位进行运行 的。在现代操作系统中，具有多进程多线程能力，进程仍然作 为资源的分配和保护的独立单位，而调度和执行的基本单位改 为由线程来完成。
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• 值得注意的是，Bernstein条件是一个理论上保证 程序能够并发执行的充分条件。在操作系统中， 由于进程间共享某些资源而不满足Bernstein条件 的情况十分普遍，从理论上讲，它们是不能够并 发执行的，否则会发生与时间有关的错误。但是， 只要采取适当的措施，这些进程就可以正确、安 全地并发执行，这可以通过信号量和PV操作或者 管程机制等来予以解决。这些是涉及到进程互斥 和同步部分的内容，本章后面会详细介绍。
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• 进程不是程序，而是程序的一次执行活动， 和传统的程序概念有着本质的区别。在日 常生活中，很容易找到类似于“程序”和 “进程”的例子，例如厨师炒菜，菜谱相 当于程序，一次炒菜过程就是一个“进 程”；再如乐谱和演奏，乐谱相当于程序， 而一次演奏就相当于一个进程；此外，火 车时刻表以及列车的运行，课程表和上课， 都有类似关系。
第2章 处理器管理及并发进程
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本章学习任务
进程与线程 进程调度 进程互斥与同步 管程 进程通信 死锁
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2.1.1 程序的顺序执行
•Байду номын сангаас示意图
I1 P1 O1 I2 P2 O2 I3 P3 O3
• 特点
简单、方便，容易理解； 确定性； 封闭性； 可再现性。
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I1 P1 O1
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• 并发执行的特点 程序运行“走走停停，停停走走”；由于在并发 环境下，各个程序不再独立，破坏了顺序程序的 确定性、封闭性和可再现性。
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2.1.3 多道程序设计
• 主存中每次只存在一个程序，该程序运行时独占 整个计算机系统资源，这种程序设计方式就是 “单道程序设计”，而让多个程序同时进入一个 计算机系统的主存储器并发执行，这种程序设计 方式就是“多道程序设计”。 • 具有多道程序设计能力的计算机系统称为多道程 序设计系统。 • 采用多道程序设计的好处是：充分发挥了计算机 硬件的并行性，消除了处理器和外围设备的互相 等待现象，大大提高了系统的效率。
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• 解答：在单道系统中，两道作业必须顺序运行， 因此执行的总时间是11+（3+6）=20（分钟）。 而在多道程序设计系统中，可以让第二道作业先 进行执行，计算3分钟后，进行打印，接下去第一 道作业进行计算，这时处理器和打印机真正并行 工作，因此，这时，两道作业的执行总时间是 3+11=14（分钟）。
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2.1.2 程序的并发执行
• 并发（Concurrency）：一个程序的执行还没有 结束，另一个程序就已经开始。因此，从某个宏 观时间段来考察，在这段时间内，“同时”完成 了几个程序，这就叫并发，但从微观某个时刻来 看，任何时刻却只有一个程序在运行。 • 并发性有两层含义： ①内部顺序性，对于一个程序而言，它的所有指 令是按序执行的； ②外部的并发性，对于多个程序而言，它们是交 叉运行的。
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顺序程序设计的四个特点，使得编程和调试 很方便，缺点就是计算机资源使用效率不高。我 们知道，操作系统是管理和控制计算机系统资源 并方便用户使用的一种最重要的系统软件，提高 资源的使用效率是操作系统设计的主要目标之一。 因此，必须要提出一种程序的执行方式，提高系 统的效率，这就是程序的并发执行。
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• (4). 并发性：并发性是进程的固有特性，引入进程的目的 之一就是让进程能够并发执行。并发性也是现代操作系统 的一个重要属性。并发就是指一个进程运行没有结束，另 一个进程就已经开始，各个进程运行在时间上可以有重叠。 • (5)制约性：并发进程由于共享资源和相互协作，从而产生 制约关系，使得进程在关键点上需要相互等待或互相通信， 采取一些必要的措施，才能保证进程执行的结果的确定性、 唯一性和可再现性。 • (6)共享性：同一个程序的各个进程对应的程序代码是相同 的，此外，不同进程之间还可以共享公共变量，以竞争或 协作的方式进行工作。
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2.2 进程
• • • • 2.2.1 进程的定义及其属性 2.2.2 进程的状态及其转换 2.2.3 进程控制块 2.2.4 进程队列
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2.2.1 进程的定义及其属性
• 进程是操作系统中最基础也是最重要的 概念
• 我们采用进程定义如下： 进程是并发环境下，一个具有独立功能的 程序在某个数据集上的一次执行活动，它 是操作系统进行资源分配和保护的基本单 位，也是执行的单位。
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• 【例2-2】在一个单处理器的多道程序设计系统中， 现在有两道作业将要同时执行，一道作业以计算为主， 一道作业以I/O操作（输入输出）为主，请问，先调 度哪个作业进程？为什么？ • 解答：在现代计算机系统中，处理器可以和外部设备 真正并行工作。因此，本题中，应该先调度I/O型的 作业进程，赋予I/O型的作业进程更高的优先级，这 样做的好处是可以提高系统资源的使用效率。这是因 为，将I/O型的作业进程先调度运行，利用CPU进行 运算，完成后让出CPU处理器，进行输入输出处理， 而此时可以调度计算型作业进程到处理器上运行，这 样做到CPU与外部设备并行工作，提高了资源利用率。 例2-1用到了这一思想。
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2.2.2 进程的状态及其转换
• 进程具有并发性、制约性、动态性、结构 性以及独立性，运行轨迹是“走走停停， 停停走走”，有时在占用处理器，有时又 在申请外部设备，有时又在进行I/O处理。 为了刻画每个进程活动的过程和状态的变 化，以及为了进程控制和调度的方便，就 要记录和控制进程的运行过程，这就是进 程的状态。
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• 为了管理上的方便，大多数系统中进程都具有以下三种基 本的状态。 (1)运行态（ Running ）：此时的进程获得了当时运行所需的 系统资源，并且正在占有CPU进行处理。 (2)等待态（ Waiting ），也叫阻塞态（ Blocked ）：运行中的 进程，由于要申请使用某个系统资源，或者申请到了某个 外部设备正在进行与外部设备进行数据传输 , 或者进程运 行中出现了异常需要等待用户进行干涉处理，这时的进程 就不能继续运行下去，而不得不放弃CPU，从而转入等待 态。 (3)就绪态（Ready ）：处于等待态的进程，由于所等待的事 件得到了满足，这时就转入到就绪态。就绪态的进程，运 行所需要的系统资源，除了CPU之外，全部得到了满足， 可是说“万事俱备，只欠CPU”。
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• 【例2-4】对于下列四条语句，将它们的读集和写集都写出来。 解答： 语句 读集R(si) 写集W(si) s1: a=x*y; R(s1)={x,y} W(s1)={a} s2: b=z-1; R(s2)={z} W(s2)={b} s3: c=b+a+8; R(s3)={a,b} W(s3)={c} s4: w=c+5; R(s2)={c} W(s2)={w} 运用Bernstein条件，有： R(s1) ∩W(s2) ∪R(s2) ∩W(s1) ∪W(s1) ∩ W(s2)= {}，因此，语句s1和 s2可以并发执行； R(s1) ∩W(s3) ∪R(s3) ∩W(s1) ∪W(s1) ∩ W(s3)= {a}≠{}，因此语句s1 和s3不能并发执行。 同理语句s2和s3，s3和s4也不能并发执行。
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• 【例 2-3 】 有一台计算机，配置有 1MB 主存，操作系统占 用200KB，每个用户进程各占用200KB，如果用户进程等 待I/O的时间为70%，若增加1MB主存，则CPU的利用率提 高多少？再增加1MB主存，则CPU的利用率比只有1MB主 存时又提高多少？ • 解答：当只有1MB主存时，除了操作系统占用的200KB， 则其余的 800KB 主存可以容纳 4 个用户进程。由于每个进 程等待I/O的时间为70%，那么只有四个进程都同时等待时， CPU 才 是 空 闲 的 ， 那 么 CPU 的 利 用 率 是 1 － （ 0.7 ） 4= 0.7599 ≈ 0.76；假如再增加1MB主存，则主存中的用户进 程共 4+5=9 个， CPU 的利用率是１－（ 0.7 ） 9 ≈ 0.9596 ≈ 0.96 ， 那 么 CPU 的 利 用 率 提 高 了 （ 0.96 － 0.76 ） /0.76×100% ≈ 26%。若再增加1MB主存，则CPU的利用率 是 1 －（ 0.7 ） 14 ≈ 0.99 ， CPU 的利用率又提高了（ 0.99 － 0.76）／0.76×100% ≈ 30%。