1、第2章 进程管理,2.1 进程管理的概述,一、程序的顺序执行,特征,（1）程序执行的顺序性 （2）程序执行的封闭性 （3）程序执行结果的确定性 （4）程序执行结果的可再现性,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概述,二、程序的并发执行,（1）程序执行的间断性 （2）程序执行失去封闭性 （3）程序和计算不再一一对应 （4）程序执行结果的不可再现性,静态的,动态的,特征,三、多道程序设计,多道程序设计：允许多个程序同时进入一个计算机系统的内存并运行。,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概述,三、多道程序设计,（1）存储保护与程序浮动 （2）处理机的管理与调度 （3）系统资源的管理与调度,要解决的
2、问题,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概述,第2章 进程管理,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独立单位。,四、进程,2.1 进程管理的概述,1、含义,2、进程与程序的区别和联系,动态概念 资源分配和调度的独立单位 暂时的 具有结构的,静态概念 不是独立单位 可以作为资料长期保存的 没有结构即进程控制块,第2章 进程管理,四、进程,2.1 进程管理的概述,3、进程的特征,动态性 并发性 独立性 制约性 结构性进程=程序段+数据段+进程控制块（PCB）,第2章 进程管理,四、进程,2.1 进程管理的概述,1、对并发性的再说明,第2章 进程管理,五、用进程概念说明
3、操作系统的并发性和不确定性,2.1 进程管理的概述,并发处理的意思是：如果我们把系统作为一个整体，对其拍张快照，那么在这张照片上可以找到许多进程，各自的状态都位于它们的起点与终点之间。,1、对不确定性的再说明,第2章 进程管理,五、用进程概念说明操作系统的并发性和不确定性,2.1 进程管理的概述,如果我们把进程看成是动作序列，而且这些动作在 步与步之间是可以中断的，那么由于中断可以以不可 预测的次序发生,因而这些序列也以不可预测的次序前 进。这就反映为不确定性。,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,六、进程的基本状态及其转换,1、进程的三种基本状态,就绪状态 执行状态（运行） 阻塞状态（
4、等待、睡眠）,2、进程状态的转换,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,六、进程的基本状态及其转换,说明,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,七、进程的组成,进程=程序段+数据段+进程控制块（PCB）,1、进程控制块（PCB）的作用,是一个进程存在的唯一标志 是一种描述和控制进程状态的数据结构 是进程动态特性的集中反映,作用,是描述和控制进程状态以区别于其他进程。,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,七、进程的组成,2、进程控制块（PCB）中的信息（内容）,进程标识符信息 处理机状态信息 进程调度信息 进程控制信息 其他信息,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,七、进程的
5、组成,3、进程控制块的组织方式,链接方式 索引方式,线性表方式,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,七、进程的组成,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,八、UNIX系统的进程映像,1、进程映像,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,八、UNIX系统的进程映像,2、进程状态,用户态运行：执行用户态程序（在CPU上） 核心态运行：在CPU上执行操作系统程序,在内存就绪：具备运行条件，只等取得CPU 在外存就绪：就绪进程被对换到外存上,在内存睡眠：在内存中等待某一事件发生 在外存睡眠：睡眠进程被对换到外存上,在内存暂停：因调用stop程序而进入跟踪暂停状态，等待其父进程发送命令 在外
6、存暂停：处于跟踪暂停状态的进程被对换到外存上,创建态：新进程被创建，但尚未完毕的中间状态 终止态：进程终止自己,第2章 进程管理,2.1 进程管理的概念,八、UNIX系统的进程映像,2、进程状态,画图说明,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,一、进程的创建,（1）进程的树型体系,进程图见黑板！,解释,（2）引起创建进程的事件,用户登录 作业调度 提供服务 应用请求,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,一、进程的创建,（3）创建进程的基本任务和方式,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,一、进程的创建,基本任务：为新进程构造一个映像，并为它准备第一次被调度执行的现场信息。基本方式
7、：除了与进程的状态、标识及与时间有关的少数几项外，子进程复制或共享父进程的图像。,（4）创建进程的过程,申请空白PCB 为新进程分配资源 初始化PCB 将新进程插入就绪队列,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,一、进程的创建,（5）创建进程的算法（以UNIX为例）,见P37,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,一、进程的创建,二、进程的终止和父/子进程的同步,（1）引起进程终止的事件,正常结束 异常结束 外界干预,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,二、进程的终止和父/子进程的同步,（2）进程自我终止,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,进程自我终止时，除了暂保留pro
8、c和user结构外，放弃它占用的一切资源（包括内存区）。,若终止进程有子进程，则应将它所有子进程的父进程指定为1#进程。,最后向父进程发送子进程终止信号，等待父进程做善后处理工作，然后进行进程调度。,二、进程的终止和父/子进程的同步,（3）父进程等待子进程终止,第2章 进程管理,2.2 有关进程的操作,若有终止子进程，则对其作善后处理后返回。若没有子进程则返回出错信息。若有子进程但无终止的子进程则进行睡眠等待。,第2章 进程管理,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,一、进程间的联系,（1）资源共享关系 （2）相互合作关系,1、同步,生活当中司机与售票员的关系,同步指的是有协作关系
9、的进程之间要不断地调整它们的相对速度。,举例：,计算机中进程间共享缓冲区的关系,？,一、进程间的联系,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,2、互斥,生活当中进出教室与内部空间的共享,互斥指多个进程之间要互斥地共享某一资源。,举例：,计算机中读写磁盘与内部空间的共享,？,一、进程间的联系,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,3、临界资源与临界区,（1）临界资源：是一次只允许一个进程使用的资源。,（3）同类临界区：针对同一临界资源进行操作的程序段。,（2）临界区：是每个进程中访问临界资源的那一段程序。,一、进程间的联系,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,
10、3、临界资源与临界区,（4）系统对同类临界区的调度原则：,一、进程间的联系,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,用开关中断实施锁操作,硬件中断开关作为临界区的锁,关锁关中断,开锁开中断,执行过程：关中断执行临界区开中断,在UNIX系统中 用到此方法!,二、锁操作法,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,用开关中断实施锁操作,局限性？,它不能用于多处理机系统。,它在临界区中，不能有进入封锁状态的因素。,二、锁操作法,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,三、信号量与P、V操作,1、信号量,定义为： Struct Semaphore int Value；（值）
11、int *Ptr-of-Semque; （指向队列的指针） S；,物理意义？,解释,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,三、信号量与P、V操作,1、信号量,信号量的物理意义？,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,2、P、V操作,三、信号量与P、V操作,原语,整体,整体,3、用P、V操作实现互斥和同步问题的模型,同步模型： 考虑两个进程P1、P2；P1带有语句S1，P2带有语句S2，要求S2在S1完成之后才能执行。用PV操作实现之。,三、信号量与P、V操作,P1进程 P2进程 S1； P（pro）； V（pro）; S2；,同步信号量pro 的初值为0!,3、用P、V
12、操作实现互斥和同步问题的模型,同步模型： 供者和用者共用一个缓冲区,三、信号量与P、V操作,缓冲区,供者进程,用者进程,分析!,3、用P、V操作实现互斥和同步问题的模型,互斥模型：多个进程互斥地进入各自的同类临界区 。,三、信号量与P、V操作,Pa进程 Pb进程 P（mutex） P（mutex） 临界区 临界区 V（mutex） V（mutex） ,互斥信号量 Mutex的初值 为1,3、用P、V操作实现互斥和同步问题的模型,一般地说， 用P、V操作实现互斥时，信号量初值往往是1。 用P、V操作实现简单同步时，信号量初值可为0。 用P、V操作实现计数同步时，信号量初值通常是大于0的整数。,三
13、、信号量与P、V操作,结论,问题：什么是简单同步？什么是计数同步？,4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题,例2.1 生产者与消费者的问题,三、信号量与P、V操作,问题是这样叙述的：有若干生产者进程P1、P2、Pn和若干消费者进程C1、C2、Cm；它们通过一个有界缓冲池（即由K个缓冲区组成）联系起来，如下图所示：,4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题,例2.1 生产者与消费者的问题,三、信号量与P、V操作,生产者进程 消费者进程 L1：P（empty）； L2：P（full）；P（mutex）； P（mutex）；将产品送往缓冲池 从缓冲池取出产品V（mutex）； V（mutex）；V（f
14、ull）； V（empty）；goto L1； goto L2 ；,？,4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题,例2.1 生产者与消费者的问题,三、信号量与P、V操作,生产者进程 消费者进程 L1：P（mutex）； L2：P（full）；P（empty）； P（mutex）；将产品送往缓冲池 从缓冲池取出产品V（mutex）； V（mutex）；V（full）； V（empty）；goto L1； goto L2 ；,4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题,例2.1 生产者与消费者的问题,三、信号量与P、V操作,生产者进程 消费者进程 L1：P（empty）； L2：P（mutex）；P（m
15、utex）； P（full）；将产品送往缓冲池 从缓冲池取出产品V（mutex）； V（mutex）；V（full）； V（empty）；goto L1； goto L2 ；,4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题,例2.2 读者与写者的问题,三、信号量与P、V操作,问题是这样叙述的：,分析！,读者进程 写者进程 P（mutex）； P（wrt）；n=n+1； 进行写if(n= =1) P（wrt）； V（wrt）；V（mutex）； 进行读P（mutex）；n=n-1；if(n= =0) V（wrt）；V（mutex）；,信号量初值 都为1,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,
16、四、进程通信的类型,由系统管理一组缓冲存储区，其中每个缓冲区可以存放一个消息。当一个进程要发送消息时，先要向系统申请一缓冲区，然后把信息写进去，接着再把该缓冲区送到接收进程的一个消息队列中。接收进程则在适当时机从消息队列中取用消息，并释放有关缓冲区。,1、消息缓冲通讯,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,name：发送消息的进程名或标识数。 size：消息长度。 text：消息正文。 next-ptr：下一个消息缓冲区指针。,1、消息缓冲通讯,缓冲区的内容,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,问题：消息缓冲队列的队首指针在哪？
17、,进程PCB中应增加如下信息项： hd-ptr：是一个指针，指向进程接收到的消息队列的队首。 mutex：消息队列操作互斥信号量。 ssm：同步信号量，用于接收消息进与发送消息进程实施同步。其值表示了接收进程消息队列中的消息数。,1、消息缓冲通讯,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,send的流程图：,receive的流程图：,2、信箱通信,信箱通信是消息缓冲通信的改进。,信箱是用以存放信件的，而信件是一个进程 发给另一进程的一组消息。,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,send(B,M)原语的实现过程是:,查指定信箱B，若
18、信箱B未满，把信件M送入信箱B中,如果有进程在等B信箱中的信件，则释放“等信件”的进程；若信箱B已满，把向信箱B发送信件的进程置成“等信箱”的状态。,2、信箱通信,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,receive(B,X)原语的实现过程是:,查指定信箱B，若信箱B中有信件，取出一封信件放在指定的地址X中，如果有进程在等待把信件存入信箱B中，则释放“等信箱”的进程；若信箱B中无信件，把要求从信箱B中取信件的进程置成“等信件”状态。 ,2、信箱通信,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,存在的问题：,信件的格式如何？ 信件的大小如
19、何确定？是可变的吗？ 箱体的大小如何确定？ 如何保证两个进程间按正常次序发信和收信？ 信箱可共享吗？,2、信箱通信,第2章 进程管理,2.3 进程间的相互作用和通信,四、进程通信的类型,第2章 进程管理,中断-中止正在执行的程序，转而处理一些更紧急的事件（即执行另一段程序）的现象。,2.4 中断技术,1、概念,UNIX中的分法！,1、概念,第2章 进程管理,2.4 中断技术,2、中断系统,提供的几项基本功能：,（1）识别中断源的方法 （2）查询中断状态的方法 （3）中断现场保护的能力 （4）中断处理程序寻址能力 （5）中断处理程序入口地址映射表（中断向量表）,第2章 进程管理,2.4 中断技术
20、,3、中断逻辑和中断寄存器,4、多级中断和中断屏蔽,系统按中断的重要性和处理的紧迫程度将中断源分成若干级。,第2章 进程管理,2.4 中断技术,4、多级中断和中断屏蔽,是指在提出中断请求之后，CPU不予响应的状态。,是指在可引起中断的事件发生时系统不接受其中断信号。,第2章 进程管理,2.4 中断技术,4、多级中断和中断屏蔽,延迟或禁止对某些中断的响应。 协调中断响应与中断处理的关系。 防止同类中断的相互干扰。,第2章 进程管理,2.4 中断技术,5、中断响应, 处理机何时响应中断, 如何知道提出中断请求的设备或中断源,考虑的问题,第2章 进程管理,2.4 中断技术,保存现场 分析处理 退出中
21、断和恢复现场,解释！,6、中断处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,7、中断在操作系统中的地位,是中央处理机和外部设备并行工作的基础之一 ； 是多道程序并发执行的推动力； 是整个操作系统的推动力。,第2章 进程管理,2.4 中断技术,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,（1）中断分类,在UNIX系统中所有中断可分为两类：一类称为中断，是指一切外设的I/O中断；另一类称为陷入，是指使用指令的陷入（自陷），和由于软、硬件故障或错误造成的陷入（例外或捕俘）。,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,（2）处理机状态字PS,PS包
22、含了处理机的各种状态信息，如处理机优先级，现在以及先前的处理机运行状态，说明上一条指令执行结果的条件码等。,UNIX系统规定，若处理机优先级高于或等于中断优先级，则屏蔽此中断；若CPU的优先级低于中断的优先级，则中止当前程序的执行，接收该中断，并提升处理机的执行优先级（一般与中断优先级同）。,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,（3）中断向量,一般把所有中断的中断向量组成一中断向量表。当系统接到中断后，可以从产生中断的设备中得到一个中断号即在中断向量表中的位移。由此可得到中断向量（即入口地址和CPU状态字）。,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程
23、管理,2.4 中断技术,（4）中断处理过程,输入：无 输出：无 保存当前断点现场； 确定中断源； 调用中断处理程序； 恢复现场和退出中断； ,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,（5）系统调用处理, 系统调用入口表,其形式为： Struct int count; /*参数个数*/ int (*call)(); /*是函数指针*/ sysent64;,8、UNIX系统对中断和陷入的处理,第2章 进程管理,2.4 中断技术,（5）系统调用处理, 算法,输入：系统调用号 输出：系统调用的结果 查入口表；传递参数；保存当前映像，以便失败时返回；调用程序进行具体处理；if（在执行期间出错） 在寄存器中置出错码； else 在寄存器中置返回值； if （检测到信号）对信号作相应处理；,第2章 进程管理,习题讲解,P62第12题,12假如有一个具有n个缓冲区的环形缓冲器，A进程顺序地把信息写入缓冲区，B进程依次地从缓冲区读出信息，回答下列两问： （1）试说明A、B进程之间的相互制约关系； （2）试用类C语言写出A、B进程之间的同步算法。,第2章 进程管理,习题讲解,P62第13题,13设有6个程序prog1、prog2、prog3、prog4、prog5、prog6，它们在并发系统内执行时有如下图的相互关系： 试用P、V操作实现这些程序间的同步。,
