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1、第第2 2章章 处理机管理处理机管理n2.1 概述概述n2.2 进程及其状态进程及其状态 多用户程序n程序的执行有两种方式程序的执行有两种方式:顺序执行和并发顺序执行和并发执行。执行。n顺序执行是单道批处理系统的执行方式顺序执行是单道批处理系统的执行方式,也也用于简单的单片机系统用于简单的单片机系统;n现在的操作系统多为现在的操作系统多为并发执行并发执行,具有许多新具有许多新的特征。引入并发执行的目的是为了提高资的特征。引入并发执行的目的是为了提高资源利用率。源利用率。图图2-1 2-1 程序的顺序执行程序的顺序执行 这是最自然、也是最初的设计。这是最自然、也是最初的设计。仅当前一操作仅当前一
2、操作(程序段程序段)执行完后执行完后,才能执行后继操作。才能执行后继操作。例如例如,在进行计算时在进行计算时,总须先输总须先输入用户的程序和数据入用户的程序和数据,然后进行计算然后进行计算,最后才能打印计算结果。最后才能打印计算结果。S1:a:=x+y;S2:b:=a-5;S3:c:=b+1;程序的顺序执行程序的顺序执行程序顺序执行时的特征程序顺序执行时的特征(1)(1)顺序性顺序性:处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行行,只有当上一个操作完成后只有当上一个操作完成后,下一个操作才能执行。下一个操作才能执行。(2)(2)封闭性封闭性:程序运行在一个封闭
3、的环境中程序运行在一个封闭的环境中,即程序运行时即程序运行时独占系统的全部资源独占系统的全部资源,这些资源的状态只能因程序的执行这些资源的状态只能因程序的执行而改变而改变,不受任何外界因素的影响。不受任何外界因素的影响。(3)(3)可再现性可再现性:由于程序顺序执行的封闭性由于程序顺序执行的封闭性,只要程序顺序只要程序顺序执行的执行的初始条件和环境相同初始条件和环境相同,则不论何时执行则不论何时执行,也不论程也不论程序执行期间是否存在停顿序执行期间是否存在停顿,程序所得的程序所得的结果结果也也相同相同。结论结论:正由于程序顺序执行的特点正由于程序顺序执行的特点,程序员可以方便地检程序员可以方便
4、地检测和重现程序的错误测和重现程序的错误,可以可以方便地方便地调试和校正程序。调试和校正程序。程序的并发执行及其特征程序的并发执行及其特征 1.1.程序的并发执行程序的并发执行 并发程序执行图并发程序执行图 并发程序并发程序 对比于顺序程序，程序并发执行时的特征：n间断性间断性 程序在并发执行时，由于共享资源，或者需要相互合作，致使相互间程序在并发执行时，由于共享资源，或者需要相互合作，致使相互间产生了制约关系，呈产生了制约关系，呈“走走停停走走停停”的间断执行特征。的间断执行特征。n失去封闭性失去封闭性 程序并发执行时的系统环境（主要指各程序所共享的系统资源的状态）程序并发执行时的系统环境（
5、主要指各程序所共享的系统资源的状态）是由多个程序来改变的，因而失去了封闭性。是由多个程序来改变的，因而失去了封闭性。n难以再现性难以再现性 程序在并发执行时的中间结果与其执行速度等有关，具有不确定性。程序在并发执行时的中间结果与其执行速度等有关，具有不确定性。I1I2I3I4C1C2C4C3P1P2P3P4例如,有两个程序A和B,它们共享一个变量N(初始值为x)。A:N:=N+1 B:Print(N);N:=0;程序A和B并发执行,以不可预知的速度运行,可出现以下三种情况:(1)N:=N+1在Print(N)和N:=0之前,此时得到的N值分别为x+1,x+1,0。(2)N:=N+1在Print
6、(N)和N:=0之后,此时得到的N值分别为x,0,1。(3)N:=N+1在Print(N)和N:=0之间,此时得到的N值分别为x,x+1,0。补充补充:并发执行失去封闭性的原因是共享资源的影响并发执行失去封闭性的原因是共享资源的影响,去掉这种去掉这种影响就行了。影响就行了。1966年年,由由Bernstein(波恩斯坦波恩斯坦)给出并发执给出并发执行的条件。若两个程序行的条件。若两个程序P1和和P2满足下述条件满足下述条件,便能并发执行便能并发执行且有可再现性且有可再现性:(R(P1)W(P2)(R(P2)W(P1)(W(P1)W(P2)=解释解释:运算的运算的读集读集R(Pi)是指在运算执行
7、期间参考的所有变量的是指在运算执行期间参考的所有变量的集合集合;运算的运算的写集写集W(Pi)是指在运算执行期间要改变的所有变量是指在运算执行期间要改变的所有变量的集合。的集合。存在的存在的问题问题是这个条件不好检查是这个条件不好检查例：S1:a:=x+yR(S1)=x,yW(S1)=aS2:b:=z+1R(S2)=zW(S2)=bS3:c:=a-bR(S3)=a,bW(S3)=cS4:d:=c+1R(S4)=cW(S4)=d可见:语句语句S1和和S2可以并发执行吗？可以并发执行吗？语句语句S1和和S3可以并发执行吗？可以并发执行吗？语句语句S2和和S3可以并发执行吗？可以并发执行吗？语句语句
8、S3和和S4可以并发执行吗？可以并发执行吗？语句语句S2和和S4可以并发执行吗？可以并发执行吗？(R(S1)W(S2)(R(S2)W(S1)(W(S1)W(S2)=可以不可以,因为:R(S3)W(S1)=a不可以,因为:R(S3)W(S2)=b不可以,因为:R(S4)W(S3)=c可以 程序任意并发执行具有一些新的特征（间断性、无程序任意并发执行具有一些新的特征（间断性、无封闭性、难以再现性），旧的程序的概念已不足以刻画封闭性、难以再现性），旧的程序的概念已不足以刻画这种并发执行的程序及其执行所产生的新特征。为使程这种并发执行的程序及其执行所产生的新特征。为使程序能并发执行，且为了能对并发执行
9、的程序加以描述和序能并发执行，且为了能对并发执行的程序加以描述和控制而引入进程。控制而引入进程。简言之简言之，为了实现程序的并发执行，为了实现程序的并发执行。进程的引入进程的引入2.2 2.2 进程及其状态进程及其状态 1.1.进程及进程实体的概念进程及进程实体的概念 进程是对正在运行的程序的抽象，是进程是对正在运行的程序的抽象，是OSOS最核心的最核心的概念。计算机上所有可运行的软件，包括概念。计算机上所有可运行的软件，包括OSOS，都被都被组织成若干进程。组织成若干进程。进程进程是一个具有一定独立功能的程是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行资序关于某个数据
10、集合的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。源分配和调度的一个独立单位。生活例子：一人按菜生活例子：一人按菜谱做菜。谱做菜。进程实体进程实体由程序段、相关数据段和进程控制块构成。由程序段、相关数据段和进程控制块构成。进程实体由三部分构成进程实体由三部分构成:(1)程序程序(段段):进程要进行的操作。进程要进行的操作。(2)数据段数据段:包括操作的数据和程序自己的变量。包括操作的数据和程序自己的变量。(3)进程控制块进程控制块PCB(Process Control Block):存存放进程标识符、进程运行的当前状态、程序和数放进程标识符、进程运行的当前状态、程序和数据的地址、程序
11、运行时的据的地址、程序运行时的CPU环境等。环境等。进程的本质n进程的存在必然需要程序的存在进程的存在必然需要程序的存在n进程是系统中独立存在的实体进程是系统中独立存在的实体n进程的并发特征通过对资源的竞争来体现，进进程的并发特征通过对资源的竞争来体现，进程的动态特性通过状态来描述程的动态特性通过状态来描述n进程和数据相关，但它不是数据，在它的存在进程和数据相关，但它不是数据，在它的存在过程中要对数据进行处理过程中要对数据进行处理进程的特征进程的特征动态性动态性:进程是一个动态的概念进程是一个动态的概念,实质上是程序的一次实质上是程序的一次执行过程。进程具有生命期执行过程。进程具有生命期:它因
12、它因“创建创建”而产生而产生,因因“调度调度”而执行而执行,执行时还走走停停执行时还走走停停,因因“撤消撤消”而灭而灭亡。亡。并发性并发性:多个进程实体同存于内存中多个进程实体同存于内存中,且能在一段时间且能在一段时间内同时运行内同时运行,共享系统资源共享系统资源;引入进程实体的目的就是引入进程实体的目的就是并发执行并发执行;独立性独立性:进程是一个能进程是一个能独立运行独立运行的基本单位的基本单位,也是系统也是系统进行资源分配和调度的基本单位进行资源分配和调度的基本单位;异步性异步性:各进程按各自独立的、不可预知的速度向前各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进推进;结构特征结构特征:程序
13、段程序段、数据段数据段和和PCBPCB;程序文件中通常也程序文件中通常也划分了代码段和数据段划分了代码段和数据段,进程的创建与撤消就是进程的创建与撤消就是PCBPCB的的创建与撤消。创建与撤消。进程与程序的区别进程与程序的区别进程是动态的进程是动态的,程序是静态的程序是静态的:程序是有序代码的集合程序是有序代码的集合,它可以复制它可以复制;进程是程序在数据集上的一次执行。进程是程序在数据集上的一次执行。进程是暂时的进程是暂时的,程序是永久的程序是永久的:进程是一个状态变化的过进程是一个状态变化的过程程,有它的撤销有它的撤销,程序可长久保存。程序可长久保存。进程具有结构特征进程具有结构特征,由程
14、序段、数据段和进程控制块三由程序段、数据段和进程控制块三者组成者组成,而程序仅是指令的有序集合而程序仅是指令的有序集合,是进程的组成部分是进程的组成部分之一。之一。进程与程序的对应关系进程与程序的对应关系:通过多次执行通过多次执行,一个程序可对应一个程序可对应多个进程多个进程;进程的三种基本状态进程的三种基本状态 (1)就绪就绪(Ready)状态状态 进程已获得除进程已获得除处理机处理机外的所需资源外的所需资源,等待分配处理机资源等待分配处理机资源;只要分配只要分配CPU就可执行。就可执行。一个系统中多个处于就绪状态的进程排成一个系统中多个处于就绪状态的进程排成就绪队列。就绪队列。(2)运行运
15、行(Running)状态状态处于就绪状态的进程一旦获得了处于就绪状态的进程一旦获得了处理机处理机,就可以运行就可以运行,进程进程状态也就处于执行状态。状态也就处于执行状态。处于此状态的进程的数目处于此状态的进程的数目小于等于小于等于CPU的数目。的数目。(3)等待等待(Waiting)状态状态(“阻塞阻塞”或或“睡眠睡眠”)由于进程等待某种事件由于进程等待某种事件(如如I/O操作或进程同步操作或进程同步),在事件发在事件发生之前无法继续执行。该事件发生前即使把处理机分配给生之前无法继续执行。该事件发生前即使把处理机分配给该进程该进程,也无法运行。如也无法运行。如:请求请求I/O操作操作,申请缓
16、冲空间等申请缓冲空间等通常阻塞进程也排成通常阻塞进程也排成若干队列若干队列。运行状态等待状态就绪状态进程调度等待条件(I/O请求)时间片完毕条件满足(I/O完成)就绪状态就绪状态(Ready)、运行状态运行状态(Running)和等待状态和等待状态(Waiting)。其转换方向和常见的转换原因如下图所示：。其转换方向和常见的转换原因如下图所示：4.4.进程的三种基本状态及其转换图进程的三种基本状态及其转换图进程的其它两种状态 新状态新状态 当一个新进程刚刚建立当一个新进程刚刚建立,还还未未将其放入就将其放入就绪队列时的状态绪队列时的状态,称为新状态。称为新状态。终止状态终止状态当一个进程已经当
17、一个进程已经正常结束正常结束或或异常结束异常结束,操操作系统已将其从系统队列中移出作系统已将其从系统队列中移出,但但尚未尚未撤消撤消,这时称为终止状态。这时称为终止状态。图图 进程的五种基本状态及其转换进程的五种基本状态及其转换 进程的五种基本状态及其转换说明：说明：在实际的在实际的OS中，进程的状态会更多。比如中，进程的状态会更多。比如UNIX SV中有中有9种，种，Linux中有中有6种，种，Windows2000中有中有7种。种。进程控制块（进程控制块（PCB）：系统中用于存放进程的描：系统中用于存放进程的描述和控制信息的数据结构。它是进程存在于系统述和控制信息的数据结构。它是进程存在于
18、系统的唯一标志。它描述了一个进程和其他进程以及的唯一标志。它描述了一个进程和其他进程以及系统资源的关系，记录了进程在各个不同时期所系统资源的关系，记录了进程在各个不同时期所处的状态。处的状态。描述参数：区分信息、动态信息、资源信息等描述参数：区分信息、动态信息、资源信息等进程控制块进程控制块(Process Control Block，PCB)进程控制块进程控制块PCB PCB 1.1.进程控制块的作用进程控制块的作用 进进程程控控制制块块的的作作用用是是使使一一个个在在多多道道程程序序环环境境下下不不能能独独立立运运行行的的程程序序(含含数数据据),),成成为为一一个个能能独独立立运运行行的
19、的基基本本单单位位,一一个个能能与与其其它它进进程程并并发发执执行行的的进进程程。或或者者说说,OS,OS是是根根据据PCBPCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。来对并发执行的进程进行控制和管理的。记记录录了了操操作作系系统统所所需需的的,用用于于描描述述进进程程情情况况及及控控制制进进程运行所需的程运行所需的全部信息全部信息。PCBPCB是进程存在的唯一标志。是进程存在的唯一标志。2.2.进程控制块中的信息进程控制块中的信息 进程标识符进程标识符 进进程程标标识识符符用用于于惟惟一一地地标标识识一一个个进进程程。一一个个进进程程通通常常有有两种两种标识符标识符:(1)(1)内内部部标标识
20、识符符。在在所所有有的的操操作作系系统统中中,都都为为每每一一个个进进程程赋赋予予一一个个惟惟一一的的数数字字标标识识符符,它它通通常常是是一一个个进进程程的的序序号号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。(2)(2)外外部部标标识识符符。它它由由创创建建者者提提供供,通通常常是是由由字字母母、数数字字组组成成,往往往往是是由由用用户户(进进程程)在在访访问问该该进进程程时时使使用用。为为了了描描述述进进程程的的家家族族关关系系,还还应应设设置置父父进进程程标标识识及及子子进进程程标标识识。此外此外,还可设置用户标识还可设置用户标识,以指示拥有该进程的用
21、户。以指示拥有该进程的用户。进程调度信息进程调度信息 在在PCBPCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息信息,包括包括:进程状态进程状态,指明进程的当前状态指明进程的当前状态,作为进程调度和对换时作为进程调度和对换时的依据的依据;进程优先级进程优先级,用于描述进程使用处理机的优先级别的一用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数个整数,优先级高的进程应优先获得处理机优先级高的进程应优先获得处理机;进程调度所需的其它信息进程调度所需的其它信息,它们与所采用的进程调度算它们与所采用的进程调度算法有关法有关,比如比如,进程已等待进程已等待CPUCPU的的
22、时间总和时间总和、进程已执行、进程已执行的的时间总和时间总和等等;事件事件,是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生是指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件的事件,即即阻塞原因阻塞原因。进程控制信息进程控制信息 进程控制信息包括进程控制信息包括:程序和数据的地址程序和数据的地址,是指进程的程序和数据所在的内存是指进程的程序和数据所在的内存或外存地或外存地(首首)址址,以便再调度到该进程执行时以便再调度到该进程执行时,能从能从PCBPCB中找到其程序和数据中找到其程序和数据;进程同步和通信机制进程同步和通信机制,指实现进程同步和进程通信时必指实现进程同步和进程通信时必需的机制需的机制,
23、如消息队列指针、如消息队列指针、信号量信号量等等,它们可能全部它们可能全部或部分地放在或部分地放在PCBPCB中中;资源清单资源清单,是一张列出了除是一张列出了除CPUCPU以外的、进程所需的全部以外的、进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单资源及已经分配到该进程的资源的清单;链接指针链接指针,它给出了本进程它给出了本进程(PCB)(PCB)所在队列中的所在队列中的下一个下一个进进程的程的PCBPCB的首地址。的首地址。PCB通常包含的内容通常包含的内容：进程实体进程实体n构成进程的基本部分称为进程实体，进程实体由三构成进程的基本部分称为进程实体，进程实体由三部分构成：进程控制块（部
24、分构成：进程控制块（PCB）、程序段、数据段）、程序段、数据段n程序段：进程需要运行的纯代码段程序段：进程需要运行的纯代码段PCB数据程序PCB数据PCB程序进程实体进程实体PCB的组织方式的组织方式PCB表图图2-7 PCB2-7 PCB链接队列示意图链接队列示意图 PCB的组织方式(1)链接方式 把具有同一状态的PCB用其中的链接字链接成一个队列,可以形成就绪队列、若干个阻塞队列和空闲队列(2).图图2-8 2-8 按索引方式组织按索引方式组织PCB PCB PCB的组织方式n(1).n(2)索引方式 系统根据所有进程的状态建立几张索引表,如就绪索引表、阻塞索引表等,并把各索引表在内存的首
25、地址记录在专用单元中。索引表中记录的是PCB在PCB表中的地地址。补充内容补充内容处理机的执行状态分处理机的执行状态分系统态系统态和和用户态用户态两种两种:(1)系统态系统态(管态管态、核心态核心态):有较有较高高特权特权,能执能执行行一切一切指令指令,访问访问所有所有寄存器和存储区。寄存器和存储区。(2)用户态用户态(目态目态):有较有较低低特权特权,能执行能执行规定规定指令指令,访问访问指定指定寄存器和存储区。寄存器和存储区。用户用户程序运行在程序运行在用户态用户态,不能执行不能执行OS指令及区指令及区域。域。OS内核运行在内核运行在系统态系统态,进程控制进程控制是由是由OS内核实内核实现的。现的。