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计算机操作系统 冯裕忠 方智 周舸 第二章 进程管理

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第二章 进程和线程 在传统的操作系统中，程序是不能独立运行，而进程才是分配资源和独立运行的基本单位。 人们利用进程的观点来研究操作系统。操作系统所具有的四大特征(并发、共享、虚拟和异步性)是基于进程而形成的。将对进程定义、状态、控制、转换及线程的定义、状态等作介绍。ß 2.1 进程的定义ß 在未配OS的系统中，程序的执行方式是 顺序执行，即必须在一个程序执行完成后 才允许执行另一个程序；在多道程序环境 下，则允许多个程序并发执行，有了并发 执行的特征，在操作系统中就引入了进程 的概念。在此先简单介绍程序的顺序执行 和并发执行。 1、程序的顺序执行及其特 征执行过程：S1： a:=x + y S2: b:=a -5 S3: c:=b+1语句S2必须在a被赋值后才能执行；S3只能在b赋值后才能执行。 顺序执行时的特征：ß I1 C1 p1 I2 C2 p2……In ß Cn Pnß 特征：１、顺序性ß 　　　２、封闭性ß 　　　３、可再现性－－－只要程序执行时的初 始条件和执行环境相同，当程序重复执行时，可 获得相同的结果(与执行时间无关)ß 通常利用前趋图来描述 程序的执行：ß 前趋图(Procedence Graph)是一个有向 无循环图DAG(Directed Acyclic Graph)。图 中的每个结点可用于表示一条语句、一个 程序段或进程；结点间的有向边则表示在 两个结点间存在的偏序或前趋关系“→”。ß 在前趋图中，没有前趋的结点称为初始结 点；没有后续结点的称为终止结点。ß P2 P5 P1 P3 P9 P8 P6 P4 具有九个结点的前趋图 P7ß 上图存在前趋关系： ß Ii→Ci→Piß p1→p2, p1→p3, p1→p4, p2→p5, p3→p5, p4→p6, p4→p7, p5→p8, p6→p8, p7→p9, p8→p9ß 也可以表示为：ß P={P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9}ß S1 s1→s2→s3 S2 具有循环的图 S32、程序的并发执行及特征ß Ｉ２、Ｃ１可以并发执行ß Ｉ３、Ｃ２、Ｐ１可以并发执行。ß 对于具有下述四条语句的程序段： S1： a ：＝x十2 S2：b：=y十4 S3：c：=a十b S4：d：＝c＋b四条语句的前趋图： 程序并发执行时的特征 1)间断性:由于它们共享系统资源，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。相互制约将导致并发程序具有“执行 暂停 执行”这种间断 —— ——性的活动规律。2)失去封闭性: 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，致使程序的运行已失去了封闭性。 3)不可再现性: 程序在并发执行时，由于失去了封闭性，导致不可再现性 。3、进程的特征和定义 在多道程序环境下，程序的并发执 行破坏了程序的封闭性和可再现性，使 得程序和计算不再一一对应，出现了许 多新的特征。程序这个静态概念已不能 反映程序活动的特征了，人们引入了新 的概念－－－进程。 为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并能对并发执行的程序加以控制和描述，系统中专门配置了一个称为“进程控制块”(PCB)的数据结构。其中存放了进程标识符、进程当前运行状态、程序和数据的地址，CPU的环境信息。 ß 进程实体由三部分组成 PCB 程序 数据 由于程序是不能并发执行，为使程序能独立运行，需为其配置一进程控制块---PCB。由程序、数据和PCB构成了进程实体。有的书(如UNIX早期)称为“进程映像”。ß 在UNIX系统中，把进程的组成分 为：ß 1、用户级上下文---由用户数据段和用 户堆栈组成的进程地址空间；ß 2、系统级上下文---静态(PCB和资源 表)、动态(核心栈、现场信息、控 制信息和进程环境块)和系统堆栈等 组成的进程地址空间；ß 3、寄存器上下文---各类寄存器。进程的定义：ß 进程是60年代初由麻省理工学院的 MULTICS系统和IBM的TSS/360系统引入。 其定义：ß 1)进程是程序在CPU上的一次执行过程ß 2)进程是可以和别的计算并行执行的计算3)进程是程序在一个数据集合上的运行 过程，是系统分配资源和调度的一个 独立单位。4)进程是一个有一定功能的程序关于某 一数据集合的一次运行活动。 所以进程定义为：ß 可并发执行的程序在一个数据集 合上的运行过程，或“进程”是进程 实体的运行过程。进程的特征 : 1)结构特征ß 为使程序(含数据)能独立运行，应为 之配置一进程控制块，即PCB；ß 而由程序段、相关的数据段和PCB三部 分便构成了进程实体。ß 所谓创建进程，实质上是创建进程实体 中的PCB；而撤消进程，实质上是撤消进程 的PCB。 2)动态性ß 进程的实质是进程实体的一次执行过程，因 此，动态性是进程的最基本的特征。ß 动态性表现：“它由创建而产生，由调度而 执行，由撤消而消亡”。可见，进程实体有 一定的生命期。ß 程序是一组有序指令的集合，其本身并不具 有运动的含义，因而是静态的。 3)并发性 这是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。 4)独立性指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源 和独立接受调度的基本单位； 5)异步性 指进程按各自独立的、不可预知的速度向前 推进，或说进程实体按异步方式运行。 3、 进程的基本状态ß 　 进程和程序是两个密切相关又有所不同的 概念：(１)进程是动态的，程序是静态的。进程是程序 的一次执行过程，程序是一组代码的集合。(２)进程是暂时的，程序是永久的。(3)进程与程序组成不同。进程的组成包括程 序、数据和进程控制块。(４)进程与程序密切相关，一个程序可以对应 多个进程；通过调用关系，一个进程可以 包括多个程序；进程可以创建其他进程， 程序则不能。ß 进程的三种基本状态及其转换 图2.3 进程的三种状态及其转换 4、新状态和终止状态ß (1)新状态ß 这是一个进程刚建立，但还未将它送入就 绪队列时的状态。ß (2)终止状态ß 当一个进程已经正常结束或异常结束，OS 已将它从就绪队列依出，但尚未将它撤消 时的状态。 进程的五种基本状态：ß 新进程 结束 接 完 纳 中断 成 就绪 执行 进程调度 完成 I/O I/O请求或 或事件发生 等待某事件 阻塞 5、挂起状态 ß挂起状态:使执行的进程暂停执行,静止下来,我们把这种静止状态称为挂起状态。引入挂起状态的原因：(1)终端用户的请求。(2)父进程请求。 (3)负荷调节的需要。当实时系统中的工作 负荷较重，把一些不重要的进程挂起，以 保证系统能正常运行。 (4)操作系统的需要。操作系统有时希望 挂起某些进程，以便检查运行中的资源使 用情况或进行记账。 进程状态转换的原因ß 1、新→就绪状态ß 2、就绪→执行状态ß 3、执行→阻塞状态ß 4、执行→就绪状态ß 5、执行→终止状态 挂起状态的原因ß 1、终端用户的需要ß 2、父进程的需求ß 3、操作系统的需要ß 4、对换的需要ß 5、负荷调节的需要ß 如果引进了活动、禁止的概念，那就有如 下的进程状态的转换：ß 1、活动就绪→静止就绪ß 2、活动阻塞→静止阻塞ß 3、静止就绪→活动就绪ß 4、静止阻塞→活动阻塞 具有挂起状态的进程状态图ß 2.2 进程的管理 为了使程序在多道程序环境下能并发执行，并能对并发执行的程序加以控制和描述，而专门设置了一个称为“进程控制块---PCB”的数据结构。其中存放进程标识符、进程运行的当前状态、程序和数据的地址和CPU的环境信息。由程序段、数据段及进程控制块三部分构成一个进程实体。ß PCB 程序 数据 一个进程实体的构成 2.2.1 进程控制块 PCB一、进程控制块的作用ß 进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说， OS是根 关 键 词： 计算机操作系统冯裕忠方智周舸第二章进程管理

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