1、第2章 处理机管理,2.1,2.2,2.3,本章讲述内容：,2.4,进程；,进程控制块；,进程的调度与管理；,作业调度。,2.1 进程,2.1.1 多道程序设计,程序A,程序B,程序C,0,4,6,9,14,18,20,23,26,30,4,2,3,5,4,2,3,3,4,程序A,程序B,程序C,0,4,6,9,13,18,22,12,15,17,(a) 单道程序设计环境,(b) 多道程序设计环境,时间,时间,打印机输出,CPU执行,图例,：,.,单道程序设计环境特点,1.,资源的独占性,.,.,执行的顺序性,结果的再现性,多道程序设计环境特点,2.,.,执行的并发性,.,.,相互的制约性,状
2、态的多变性,机车头从车尾把到达场里的货车推向驼峰，在那里按照不同去向（即进路）把车厢间的挂钩摘开， 一组车厢（称一勾车）借助驼 峰的高度，将根据自己的去向 溜到编组场的不同轨道， 组成一列新的货车。,2.1.2 进程的定义,1.,从3个方面来描述进程,.,.,.,进程是程序的一次运行活动；,进程的运行活动是建立在某个数据集合之上；,进程要在获得资源的基础上从事自己的运行活动。,2.,进程定义,所谓“进程”，是指一个程序在给定数据集合上的一次执行过程，是系统进行资源分配和运行调度的独立单位。,驼峰,到达场,编组场,溜放中 的一勾车,雷达 测速、测长,道岔 (轨道电路),一列新货车,一列解体货车,
3、缓行器,1,2,3,4,5,6,7,8,股道号,溜放中 的一勾车,驼峰溜放控制过程中的进程。,例：,.,.,扳道岔程序,.,.,.,.,缓行器控制程序,雷达测速程序,雷达测长程序,巡回检测程序,用户进程：可以并发执行的用户程序段，它们是操作系统的服务对象，是系统资源的实际享用者。,系统进程：操作系统中用于管理系统资源的那些并发程序，它们向用户提供系统服务，分配系统的资源。,系统进程间的相互关系由操作系统负责协调，以便有利于增加系统的并发性，提高资源的整体利用率；用户进程间的相互关系要由用户自己（在程序中）安排，操作系统会向用户提供一定的协调手段（以命令的形式）。,3.,进程的分类,4.,系统进
4、程与用户进程的区别,.,.,.,系统进程直接管理有关的软、硬件资源的活动；用户进程不得插手资源管理。在需要使用某种资源时，必须向系统提出申请，由系统统一调度与分配。,系统进程与用户进程都需要使用系统中的各种资源，在双方出现竞争时，系统进程有优先获得资源、优先得以运行的权利。,.,.,进程是程序的一次执行过程，程序是进程赖以存在的基础。这就是说，进程与程序之间有一种必然的联系。但进程又不等同于程序，它们是两个完全不同的概念。,2.1.3 进程的特征,1.,进程与程序的关系,进程间会相互制约。由于进程是系统中资源分配和运行调度的单位，因此在对资源共享和竞争中，必然会相互制约，影响了各自向前推进的速
5、度。,进程之间具有并发性。在一个系统中，同时会存在多个进程，与它们对应的多个程序同时在系统中运行，轮流占用CPU和各种资源。这正是多道程序设计的初衷，说明这些进程在系统中并发执行着。,每个进程都有自己的生命期。当要完成某一项工作时，就“创建”一个进程。一个进程创建后，系统就感知到它的存在；完成预定的任务后，系统就“撤销”这个进程，收回它所占用的资源。撤消后，系统就无法再感知到它。于是，从创建到撤消，这个时间段就是一个进程的“生命期”。,不同进程可以执行同一个程序。从进程定义知，区分进程的条件一是所执行的程序，二是数据集合。因此，即使多个进程执行同一个程序，只要它们运行在不同的数据集合上，那么它
6、们就是不同的进程。,“进程”是一个动态的概念。进程强调的是程序的一次“执行”过程，因此它是一个动态的概念；程序是一组有序指令的集合，在多道程序设计环境下，它不涉及“执行”，因此是一个静态的概念。,2.,进程与程序的区别,.,.,.,.,.,2.1.4 进程的基本状态,1.,进程的基本状态,就绪,提交,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,三种最 基本的状态,创建,进程间由于共同协作和共享资源，导致在生命期中进程的状态不断发生变化。,.,终止状态：一个进程或正常结束，或因某种原因被强制结束。这时，系统正在为其进行善后处理。,创建状态：进程正在初创期，操作系统还没有把它列入到可执
7、行的进程行列中。,.,就绪状态：一个进程已经具备了运行的条件，只要有机会获得CPU，它就可以投入运行。,.,运行状态：一个进程获得了CPU正在执行中。若系统中只有一个CPU，那么任何时候系统中最多只有一个进程处于运行状态。,.,阻塞状态：进程正在等待某事件（比如I/O的完成）的发生。在事件到来前，即使把CPU分配给这个进程，它也无法运行。阻塞状态有时也被称为“等待状态”。,.,2.,进程状态的变迁,一个进程的状态，可随自身的推进和外界环境的变化而变化，从一种状态“变迁”到另一种状态。进程状态变迁图中，箭头表示状态变迁的方向，文字是引起这种状态变迁的原因。,.,就绪运行：需要一个新进程运行时，操
8、作系统就在处于就绪状态的进程里挑选目标，选中者的状态就从就绪变为运行。所以， “调度”是从就绪变到运行的原因。,一个处于运行状态的进程，比如会由于提出输入/输出请求而使自己的状态变成为阻塞。这属于进程自身推进过程中引起的状态变化。,并不是所有的进程状态之间都可以发生变迁的。可能的变迁如下所列。,在输入/输出操作完成后，会使某个进程的状态由阻塞变为就绪。这属于由于外界环境的变化而引起的状态变化。,.,.,.,(1),创建就绪：一个进程创建完毕，就可被列入到可执行的进程行列中。于是，系统通过提交，把它的状态从创建变为就绪。,(2),运行就绪：引起进程状态从运行变到就绪，最常见的原因是“超时”。,(
9、3),运行阻塞：如果一个运行进程必须等待某个事件的发生而暂时无法再运行，那么它的状态就由运行变为阻塞。这种需要进程等待的事件是很多的。比如，进程发一个系统调用命令，操作系统却无法立即提供服务；比如进程发出一个资源请求，但却一时无法得到满足；又比如进程要等待I/O的完成、等待另一个进程提供的输入数据、等待来自另一个进程的消息等，都会使进程的状态从运行变为阻塞。,(4),阻塞就绪：当进程等待的事件发生时，处于阻塞状态的进程就变成了就绪。,(5),运行终止：正在运行的进程完成了自己的工作，或由于其他原因必须异常结束，那么该进程就会被撤消，由运行状态变为终止状态。,(6),.,在这五种状态里，最基本、
10、最实质性的是三种状态：就绪、运行、阻塞。,就绪/挂起状态：进程在 辅存。只要被激活，进程就可以 调入内存，如果获得CPU就可以投入运行。,2.,对进程状态更细致的划分,就绪/挂起,就绪,激活,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,挂起,阻塞/挂起,激活,挂起,事件发生,创建,提交,提交,挂起,可在进程五种状态基础上，增加两种状态：“就绪/挂起”状态和“阻塞/挂起”状态。处于这两种状态的进程，都表示它们是在辅存而不是内存。只有通过“激活”，才可使这些进程的状态变迁为“就绪”或“阻塞”，从而进入内存。,.,.,阻塞/挂起状态：进程在辅存等待事件的发生。只要被激活，进程就可以调入到
11、内存里去等待事件的发生。,.,.,对几个变迁的解释,就绪/挂起状态：进程在辅存。只要被激活，进程就可调入内存，如果获得CPU就可以投入运行。,(1),阻塞阻塞/挂起：若当前没就绪进程可运行，且内存又缺少空闲区域装入新进程，那就可从内存换出一个阻塞进程到辅存，使其状态成为阻塞/挂起，腾出内存区域。,(2),阻塞/挂起就绪/挂起：如果一个处于阻塞/挂起状态的进程所等待的事件发生了，那么它的状态将变迁成为就绪/挂起状态，进程仍在辅存。,(3),现场信息：进程暂时让出处理机时，须把当前各种现场信息保存在PCB的固定单元里。这样，当进程再次获得处理机时，就可以把这些信息置入处理机的相应寄存器中，恢复到被
12、中断时的原有状态，保证进程正常执行。,标识信息：代表了一个进程的身份，是系统内部区分不同进程的依据 。,进程控制块,2.2 进程控制块,2.2.1 进程的三个组成部分,.,.,.,程序,数据集合,PCB,程序,数据集合,2.2.2 进程控制块的内容,.,.,.,.,进程名,进程状态,程序存放位置,数据存放位置,通用寄存器内容,控制寄存器内容,断点地址,进程优先数,队列指针,标识信息,说明信息,现场信息,管理信息,说明信息：随时反映进程的情况 。,管理信息：系统通过这些信息管理、调度进程，使它们有条不紊地工作。,为管理和控制进程，系统创建每个进程时，都为其开辟一个专用的存储区，随时记录它的动态特
13、性。当一个进程被撤消时，系统就收回分配给它的存储区。通常，把这一存储区称为该进程的“进程控制块PCB” 。,1.,进程控制块的内容,比如，CPU先执行左边的进程P0。若在运行到点x处时，进程P0的执行被打断。为充分利用CPU，须将CPU分配给别的进程使用，即进行进程间的切换，让CPU从执行一个进程转而去执行另一个进程。,2.,进程间的切换,所谓“进程间的切换”，是指将CPU的执行从一个进程切换到另一个进程。在有的书里，把进程间的切换称为“进程间的上下文切换”。操作系统是通过进程PCB中的现场保护区来实现进程间的切换的 。,.,.,进程P0,进程P1,操作系统,中断或系统调用,保护现场到PCB0
14、,从PCB1现场保护区 获取现场信息,中断或系统调用,保护现场到PCB1,从PCB0现场保护区 获取现场信息,执行,执行,执行,被打断 的断点x,从断点x 恢复执行,被打断 的断点y,到点y时，若进程P1的运行被打断，又进入操作系统去做进程间的切换。若现在是要运行进程P0，那么先把当前CPU的运行现场保护到进程P1的PCB里，然后用进程P0的PCB里的现场信息对CPU进行加载。这样，CPU就开始从点x往下运行左边的进程P0了。,.,为此进入操作系统。若现在是要运行进程P1，那就先把当前CPU的运行现场保护到进程P0的PCB里，然后用进程P1的PCB里的现场信息对CPU进行加载（即恢复进程P1的
15、运行现场）。这样，CPU就开始运行右边的进程P1了。,.,就绪队列：系统中所有处于就绪状态的进程的PCB排成一队，称其为“就绪队列”。一般地，就绪队列里会有多个进程的PCB排在里面，它们形成处理机分配的侯选对象。,阻塞队列：所有处于阻塞状态的进程的PCB，应该根据阻塞的原因进行排队，每一个都称为一个“阻塞队列”。,2.2.3 进程控制块队列,PCB1,PCB2,PCB5,PCB10,PCB3,PCB7,PCB6,PCB8,PCB9,PCB4,-1,-1,-1,运行队列头指针,就绪队列头指针,阻塞队列1头指针,阻塞队列2头指针,运行队列：,就绪队列：,阻塞队列1：,阻塞队列2：,.,运行队列：处
16、于运行状态的PCB构成运行队列。在单CPU系统，任何时刻系统里都只有一个进程处于运行状态，因此运行队列里只能有一个PCB 。,.,.,A,2.3.1 进程调度算法,2.3 进程的调度与管理,1.,先来先服务调度算法,A,B,C,D,调度,就绪队列,到达,阻塞队列,完成,I/O完成,阻 塞,CPU,I/O,基本思想：调度时以到达就绪队列的先后次序选择占用处理机的进程。进程一旦占有处理机，就一直用下去，直至结束或因等待某事件而让出处理机。,2.,时间片轮转调度算法,基本思想：调度时为进程分配一个称为“时间片”的时间段，在使用完一个时间片后，即使进程没运行完，也要释放处理机，让给另一个进程使用，自己
17、则排到就绪队列末尾，等待下一次调度。,A,B,C,D,调度,就绪队列,到达,阻塞队列,完成,I/O完成,阻 塞,CPU,I/O,时间片到,UNIX操作系统里，为动态改变一个进程的优先数，采取了设置和系统计算并用的方法。设置用于一个进程变为阻塞时，系统会根据不同的阻塞原因，赋予阻塞进程不同的优先数。这个优先数将在进程被唤醒后发挥作用。计算进程优先数的公式是：p_pri=min127，(p_cpu/16+PUSER+p_nice),3.,优先数调度算法,基本思想：为系统中的每个进程规定一个优先数，就绪队列中具有最高优先数的进程有优先获得处理机的权利；如果几个进程的优先数相同，则对它们实行先来先服务
18、的调度。,确定进程优先数的几个因素,.,.,(1),根据进程的类型,(2),根据进程执行任务的重要性,(3),根据进程程序的性质,(4),根据对资源的要求,(5),根据用户的请求,进程的优先数可分静态和动态两类。所谓静态，是指在进程的整个生命期内优先数保持不变。其优点是实现简单，但欠灵活。所谓动态，是指在进程的整个生命期内可随时修正它的优先级别，以适应系统环境和条件的变化。,.,例：,p_cpu p_pri 进程的 进程被调度优先级 到的可能性,进程被调度 进程的 p_pri p_cpu 到的可能性 优先级,图例：,-上升,-下降,一开始，进入就绪队列的进程被 安排在队列0里，每个进程都可获得
19、8ms 长的时间片。如果进程不能在该时间区 间内完成自己的工作，那它就被下移到 队列1的尾部去等待调度。如果队列0为空，位于队列1首的进程将被调度，并可获得16ms长的时间片。如果进程不能在该时间区间内完成自己的工作，那么它就要被下移到队列2的尾部去等待调度。只有在队列0和1都为空时，队列2里的进程才可根据先来先服务的调度算法投入运行。,4.,多级队列调度算法,多级反馈队列调度的中心思想是，以使用CPU时间的长短，来区分进程，让进程在各就绪队列里移动。如果进程需要使用很多的CPU时间，那么它就会被移到优先级较低的就绪队列去。,.,.,比如，有多级反馈队列，它维持三个就绪队列，从队列0到队列2。
20、,先来先服务,时间片=8ms,时间片=16ms,队列0,队列1,完成,完成,阻塞/解除阻塞,时间片到,阻塞/解除阻塞,时间片到,队列2,完成,到达,调度程序总是先执行队列0里的所有进程，只有当队列0为空时，它才会去调度队列1中的进程。类似地，只有当队列0和1都为空时，它才会去调度队列2中的进程。到达队列1的进程会抢占队列2的进程的执行。同样，到达队列0的进程会抢占队列1的进程的执行。,.,.,.,5.,进程调度程序的主要功能,.,6.,引发调度程序工作的几个条件,.,记录系统中所有进程的有关情况，比如进程的当前状态，优先数等 。,.,确定分配处理机的算法，这是它的一项主要工作。,.,完成处理机
21、的分配和回收。,.,不可剥夺方式：只能由占用处理机的进程自己自愿放弃处理机。,进程调度程序负责具体的处理机分配，完成进程间的切换工作，因此它的执行频率是相当高的，是一个操作系统的真正核心。,一个进程从运行状态变成阻塞状态（如请求进行输入/输出操作）；,(1),(2),一个进程正常运行结束后被撤销。,一个进程从运行状态变成就绪状态（如分时系统中，已运行满一个时间片）；,(3),(4),一个进程从阻塞状态变成就绪状态（如等待的输入/输出操作完成）；,.,注意：(1)、(4)两种情况肯定会引起进程调度程序工作，它将从就绪队列里选择一个进程占用处理机，完成进程间的切换；(2)、(3)两种情况可能会引起
22、进程调度，也可能是继续运行原进程，这与系统所采用的调度算法有关。,7.,进程占用处理机的时间,剥夺方式：当系统出现某条件时，就立即从当前运行进程手中抢夺过处理机，重新进行分配。在进程调度算法中，时间片轮转调度算法属于剥夺方式。,功能：在等待的事件发生后，由唤醒进程原语把等待进程从相应的阻塞队列里解放出来，进入就绪队列，重新参与调度。,撤消进程原语,功能：为新建进程申请进程控制块PCB，将创建者提供的信息填入PCB，将新建进程设置为就绪状态，按照调度算法把PCB排入就绪队列中。,2.3.2 进程管理的基本原语,1.,原语定义,操作系统提供若干基本操作，以便创建、撤消、阻塞和唤醒进程。为保证执行的
23、正确，要求它们以一个整体出现，不可分割。即一旦启动了相应的程序，就要保证做完，中间不能插入其它程序的执行序列。具有这种特性的程序被称为“原语”。为保证这种不可分割性，通常是利用屏蔽中断的方法。,2.,进程管理的基本原语,.,.,.,.,创建进程原语,阻塞进程原语,唤醒进程原语,功能：收回该进程占用的资源，将该进程的PCB从所在队列里摘下，把PCB所占用的存储区归还给系统。,功能：将被阻塞进程的现场信息保存到PCB中，状态改为阻塞； 将其PCB排到相应的阻塞队列中。若被阻塞的是自己，调用了该原语后，就重新分配处理机。,命令接口：操作系统提供各种操作命令，以便用户通过键盘控制程序的运行。这是系统在
24、作业控制一级给予用户的支持。,2.4 作业调度,2.4.1 用户与操作系统的两种接口,1.,两种接口,.,.,程序接口：操作系统提供各种系统调用命令，以让用户在编程时获得所需的功能服务。这是系统在程序一级给予用户的支持。,2.,若干概念,.,.,特权指令与非特权指令,把CPU的指令分为两类：一类是操作系统和用户都能使用的指令，称为“非特权指令”；一类是只能由操作系统使用的指令，称为“特权指令”。,管态与目态,这是CPU的两种工作状态：当其处于管态时，可执行包括特权指令在内的一切机器指令；当其处于目态时，只能执行非特权指令，禁止使用特权指令。,一般的过程调用，执行完后径直返回断点继续执行；但系统
25、调用可能会招致进程状态的变化，从而引起系统重新分配处理机，因此系统调用处理结束后，不一定是返回调用者断点处继续执行。,一般的过程调用，调用者与被调用者都运行在相同的CPU状态；但发生系统调用时，发出调用命令的调用者运行在目态，而被调用的对象则运行在管态。,.,系统调用命令,操作系统里预先编制了不同功能的子程序，用户可在自己的程序里调用它们，以求操作系统提供功能服务。这些子程序被称为“系统功能调用”程序，简称“系统调用”。,访管指令是一条非特权指令，功能是执行它就会产生一个软中断，促使中央处理机由目态转为管态，进入操作系统 。用户程序只有通过 访管指令，才能由目态转为管态、以达到调用系统调用命令
26、的目的。,.,访管指令,3.,系统调用与一般过程调用的区别,.,.,.,一般的过程调用，直接通过转移指令转向被调用的程序；但系统调用时，只能通过访管指令提供的统一的入口，由目态进入管态，然后转向相应的系统调用命令。,4.,操作命令,脱机命令接口和联机命令接口。,后备作业与后备作业队列：被系统接纳的作业，在未投入运行之前，称为后备作业。这些作业存放在辅助存储器里，由它们的JCB联接在一起，形成后备作业队列。后备作业队列里的作业，不参与对处理机的竞争，但系统是从它们里面挑选对象去参与对处理机的竞争的。,作业步：为了获得结果，一个作业需要经过若干个加工步骤。称每一个加工步骤为一个作业步。,作业：指用
27、户要求计算机系统做的一个计算问题或一次事务处理的完整过程。,2.4.2 作业与作业管理,.,.,.,作业控制块：把一个作业提交给系统时，系统为它开辟一个专用的存储区，随时记录作业的信息。该存储区称为作业的作业控制块JCB。,.,.,作业调度：按某种规则从后备作业队列里挑选作业进入内存，参与对处理机的竞争，这个过程称为作业调度。完成这项工作的程序，称为作业调度程序。作业调度程序中采用的规则，称为作业调度算法。,.,.,作业的生命期：从作业提交给系统，到作业运行完毕被撤消，这是一个作业的生命期。在这个期间，作业随着自己的推进，及环境的变化，状态也在不断变化。,作业的四个基本状态：提交，后备，运行，
28、完成。,2.4.3 作业的调度算法,在批处理系统中，使用作业的“周转时间”来描述系统的吞吐能力。假定作业 i 提交给系统的时间为S i，其完成的时间为W i。那么该作业的周转时间Ti是：Ti = W i S i 对于一批n个作业而言，它们的“平均周转时间” T 应该是：T=( T1 + T2 + + Tn ) / n,1.,先来先服务作业调度算法,基本思想：以作业进入后备作业队列的先后次序，作为作业调度程序挑选作业的依据。即哪个作业在后备作业队列里等待的时间最长，下次调度即是选中者，这当然是以其资源需求能够得到满足为前提的。,2.,短作业优先作业调度算法,基本思想：要求每个用户对自己作业所需耗费的CPU时间做出估计，填写在作业说明书里。作业调度程序工作时，总是从后备作业队列里挑所需CPU时间最少、且资源能够得到满足的作业进入内存投入运行。,3.,响应比高者优先作业调度算法,基本思想：在进行作业调度时，先计算每个作业当时的响应比：响应比 = ( 已等待时间 ) / ( 所需CPU时间 ) 然后从中挑选出响应比最高的作业作为调度的对象。,
