1、1.程序的顺序执行在任何时刻，机器只执行一个操作，只有 在前一操作执行完后，才能执行后继操作。例作业i的输入操作、计算操作和打印操 作分别用Ii、Ci、Pi表示。则顺序执行过程为：,2.1 进程概念的引入,I1,I2,I3,P1,C1,P2,P3,C2,C3,程序顺序执行的特点：,顺序性： 在任何时刻，机器只执行一个操作，只有在前一个操作完成后，才进行下一个操作。 封闭性：程序在运行时独占全机资源。因此，这些资源的状态只能由运行的这个程序决定和改变。不受外界因素影响。 可再现性：程序执行时，只要初始条件相同，无论程序连续运行，或断断续续地运行，程序的执行结果与其执行速度无关，其最终结果不变。,
2、优点： 由于顺序程序的封闭性和可再现性，为程序员调试程序带来了很大方便。缺点： 由于资源的独占性，使得系统资源利用率非常低。,2.程序的并发执行是指若干个程序（或程序段）同时在系统中 运行，这些程序（或程序段）的执行在时间上是 重叠的，一个程序（或程序段）的执行尚未结束， 另一个程序（或程序段）的执行已经开始。 以资源的共享为条件 提高了系统资源利用率、系统吞吐量。,例在下面的有向无环图中，作业i的输入操作、计算操作和打印操作分别用Ii、Ci、Pi表示。虽然同一作业中的输入操作、计算操作和打印操作必须顺序执行，但对一批作业而言，情况就不同了。,I1,I2,I3,I4,P1,C1,P2,P3,C
3、2,C3,P4,C4,并发执行,并发执行,程序并发执行特征(1)失去了程序封闭性和可再现性程序在并发执行时，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，致使程序的运行失去了封闭性；由于失去 了封闭性，也将导致失去其可再现性。,例有两个循环程序A和B，共享一个变量N。A每执行 一次时都要做 N=N+1；B每执行一次都要做print(N) ,N=0。并以不同的速度运行。这样，可能出项下述三 种情况（假设某时刻变量N的值为n）。 N=N+1,print(N),N=0：N分别为 n+1,n+1,0。 Print(N),N=N+1,N=0 ：N分别为 n,n+1,0。 Pri
4、nt(N),N=0,N=N+1：N分别为 n,0,1 。其计算结果与并发程序的执行速度有关，从而失去 了可再现性,(2) 并行执行的程序间产生了相互制约关系 因共享资源或协调完成同一任务，使得并发程序 之间发生了相互制约关系。 例 系统中并发执行的程序段A和B在运行过程中都希 望使用打印机输出计算结果，若系统只有一台打印机， 分得打印机的程序段(假设A得到)可以继续运行，而没 有得到打印机的程序段B就不得不暂停，等到有可用 打印机时才能继续执行。我们称这种制约关系为间接 关系。,(3)程序与CPU执行活动之间不再一一对应 程序：是完成某一特定功能的指令序列，是静态的概念； CPU执行的活动：是
5、一个动态概念，它是程序的执行过程。 例在分时系统中，多个用户都调用C编译对自己的源程序进行编译，实际系统只保留一个编译程序，多个用户通过共享执行它完成各自源程序的编译工作。这样，系统虽然只保留一个编译程序，但CPU现正在为多个用户执行编译。,由于并发程序的上述这些特点，使得系统中的活动以及各种活动之间的相互关系非常复杂。因此，“程序”这个静态的概念已不能如实地反映系统中的活动情况。为此，现代操作系统引入了进程的概念。,3.进程定义 一个具有一定独立功能的程序对某个数据集在处 理机上的一次执行过程和分配资源的基本单位。 进程这个概念是为了描述系统中各并发活动而引入的。 “进程”(process)
6、这一术语，在60年代初期，首先在美国 的麻省理工学院的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中 引入的。只是IBM/360使用了另一个术语任务(task)，但两 者的实际含义是相同的。,进程内涵 进程是程序的一次执行。 进程是可以和其它计算并行执行的计算。 进程是一个程序与其使用的数据在处理机上顺序执行时发生的活动。 进程是程序在一个数据集合上的运行过程。 进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 进程是可以和其他程序并行执行的程序的一次执行 OS设置进程是为了描述程序的动态执行过程.,进程特征 （1）动态性：进程是程序的一次执行，它是一个 动态的概念，是临时的，有生命期的，
7、表现在它由 创建而产生，完成任务后被撤消。程序是完成某个 特定功能的指令的有序序列，它是一个静态的概念。 程序可以作为一种软件资源长期保存。进程是把程 序作为它的运行实体，没有程序，也就没有进程。我们把程序看成是一个菜谱，而进程则是按照 菜谱进行烹调的过程。,（2）并发性：多个进程实体，同存于内存中，能 在一段时间内同时执行；程序是不能并发执行的。（3）独立性：进程是系统进行资源分配和调度的 一个独立单位；程序则不是。例以多用户进程共享一个编译程序为例，为多 个用户执行编译时，显然CPU的分配是以进程为单位， 而不是以程序为单位。因为主存只有一个编译程序， 但几个用户的源程序都得到编译。,（4
8、）异步性：进程以各自独立的、不可预知的 速度向前推进；或者说，进程按异步方式运行。正 是这一特征，将导致程序执行的不可再现性。因此， 在OS中必须采取措施来保证各程序之间能协调运行。 进程间可以相互作用。（5）结构特性：为了描述和记录进程的运行变 化过程，并使之能正确运行，应为每个进程配置一 个进程控制块。这样，从结构上看，每个进程是由 程序段、数据段和进程控制块三部分组成。,进程与程序的区别,进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。通常进程不可在计算机之间迁移；而程序通常对应着文件，是静态和可以复制的。 进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态变化的过程，动态地
9、被创建，执行后消亡；程序可长久保存。 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。 进程具有并发特征（独立性和异步性） ；而程序没有。 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。,作业与进程的区别,作业是用户向计算机提交任务的实体，被提交后进入外存的作业等待队列。而进程是完成用户任务的执行实体，被创建后，总有相应部分常驻内存； 一个作业至少由一个进程来执行完成，反之不然； 作业的概念主要用于批处理操作系统；而进程的概念几乎用于所有的多道系统中。,2.2 进程的描述,1. 进程控制块 PCBOS在管理和控制
10、进程时必须知道什么？它必须知道有哪 些进程及他们位置。它必须知道在管理时所必需的进程属性 进程控制块：与每个进程相关联的所有OS用于控制进 程的属性的集合。 PCB是进程存在系统中的唯一标识。 进程映像(进程实体)：用户程序、用户数据、系统栈和进程控制块。,进程映像,用户程序：将被执行的程序。 用户数据：用户空间中的可修改部分。可以包括程序数据、用户栈区域和可修改的程序。 系统栈：每个进程有一个或多个系统栈，用于保存参数、过程调用地址和系统调用地址。 PCB：OS控制进程所需要的数据。,进程空间,任一进程都有自己的地址空间，称为进程空间，由用户空间和系统空间组成。 用户程序在用户空间执行，只能
11、执行普通指令，称处于用户态；操作系统内核在系统空间执行，可执行所有指令，称处于系统态（核心态、管理态）。,PCB中的基本信息,进程标识符：用于唯一地标识一个进程。外部标识符：由创建者提供，通常是由字母、数字所组成，往往是由用户访问进程时使用，便于记忆。如计算进程、打印进程、发送进程、接收进程等。内部标识符：OS为每一个进程赋予了一个唯一的整数，作为内部标识。父进程标识符、子进程标识符、用户标识符。,进程的状态：说明进程目前所处的状态，进程可能的状态在下一节描述。 CPU现场保护区：当进程由于某种原因不能继续运行时，要将其CPU运行的现场信息保存起来，以便下次继续运行。通常，CPU的现场信息包括
12、：程序计数器(PC)、工作寄存器、程序状态字等。 CPU的调度信息：包括进程优先级、进程所在各种队列的指针。 进程要执行的程序在主存和外存起始地址，及存取保护信息。,进程使用的资源信息：包括分配给进程的I/O设备、正在执行的I/O请求信息、当前进程正打开的文件等。 记帐信息：包括CPU占用量，实际所用时间量，帐号等。 进程之间的家族关系：在进程的树型结构系统（如UNIX）中，进程之间存在着家族关系。创建进程的进程称为父进程，被创建进程称为子进程。 进程的连接指针：将相同状态的进程连接在一起。,PCB表,系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，就构成了PCB表 PCB表的大小决定
13、了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度 可以根据进程的不同状态进行组织,图2.1 PCB链表队列,进程上下文,进程上下文是对进程执行活动全过程的静态描述。 进程上下文由进程的用户地址空间内容（正文段、数据集等）、硬件寄存器内容及与该进程相关的核心数据结构组成。 一个进程的执行是在该进程的上下文中执行的，当系统调度新进程占用处理机时，新老进程的上下文将进行切换。,2.进程的状态三种基本状态。进程执行时的间断性，决定了进程可能 具有多种状态。(1)运行态(running)：正在CPU上执行的进程所处状态为 运行状态。单CPU系统只有一个进程处于运行状态；多CPU系 统可能有多个进程处于
14、执行状态。(2)阻塞态(blocked)：又称等待态。当一个进程因等待某 个条件发生而不能运行时处于阻塞态。处于阻塞态的进程在 逻辑上是不能运行的，即使CPU空闲，它也不能占用CPU。,(3)就绪态(ready)：已分配到除CPU之外的所有必要的 资源后，只要能再获得CPU，便可立即执行。多个处于就绪 状态的进程排成一个或多个队列-就绪队列。这三种状态的相互转换如下图所示：,运行态,就绪态,阻塞态,时间片用完,进程调度,等待某个 事件发生,某个事件已经发生,图2.2 进程的状态及其转换,就绪态-运行态：处于就绪态的某进程被进程调度程序的执行选中时。 运行态-阻塞态：是由运行进程自己主动改变的。
15、 例一个正在运行的进程启动了某一外围设备后，等待该外围设备传输完成时，使自己由运行态变为阻塞态。 阻塞态-就绪态：是由外界事件引起的。 例上面所述的外围设备传输已经完成时，请求中断，由I/O中断处理程序把因等待这一I/O完成而阻塞的进程变为就绪态。,由进程状态转换图可以看出：,运行态-就绪态：处于运行态的进程被剥夺CPU时。例 采用时间片轮转法调度时，当前运行进程用完分给它的时间片后，将由运行态变为就绪态；或采用优先级调度时，若有更高优先级的进程变为就绪态，当前进程被迫放弃CPU，使自己由运行态变为就绪态，之后转进程调度。 由于系统、进程自身和外界的原因，可能使一个进程多次反复地经历三个基本状
16、态的转换，才能最终达到完成而撤消。,(4)创建态：刚刚建立，还未送入就绪队列的状态。 刚创建，并为它分配资源。(5)终止状态：已正常结束或异常结束，但尚未撤消 时。暂留在系统中，以便其它进程去收集该进程有关信息。创建态就绪态：OS准备好再接纳一个进程时，把一 个进程从新建状态转换到就绪状态。大多数系统基于现有 的进程数或分配给现有进程的虚存数量设置一些限制，以 确保不会因为活跃进程的数量过多而导致系统的性能下降。,图2.3 进程的五种状态,创建态,运行态,阻塞态,终止态,进程调度,被抢占,事件完成,等待事件,进程完成,就绪态,Fork(),接纳,3.进程队列 PCB是系统对进程进行统一管理的依
17、据。一个系统可有几十个、几百个PCB。为了便于系统查找，目前常用的组织方式如下：（1）线性方式：,图2-4 PCB线性队列示意图,（2）链接方式：把具有相同状态的PCB，用其中的连 接字，链接成一个队列。每一个队列有一个专用队列指针指出该队列中第一 个进程PCB所在位置。这样就形成了就绪队列、阻塞队列。 处于就绪态的进程可按照某种策略排成多个就绪队列。 处于阻塞态的进程又可以根据阻塞的原因不同组织成多 个阻塞队列。例等待磁盘I/O队列，等待磁带I/O队列 等。,图2-5 PCB链接队列示意图,(3)索引方式：系统根据进程的状态，建立几张 索引表，并把索引表在内存的首地址记录于内存 中一些专用单
18、元。,图2-6 PCB索引结构示意图,2.3 进程的控制,进程控制：指系统使用一些具有特定功能的程序段来创建、撤消进程以及完成进程各状态间转换。 原语：是原子操作。一个操作中的所有动作，要么全做，要么全不做，不允许中断。不可分割的操作。用于进程控制的程序段。 用于进程控制的原语有：创建原语；撤消原语；阻塞原语；唤醒原语等。,为了防止OS及关键数据如PCB等，受到破坏，通常处理机有两种执行状态： 系统态：核心态（管态）。具有较高的特权，能执行一切指令，访问所有寄存器和存储区。 用户态：目态，具有较低特权，只能执行规定的指令，访问指定的寄存器和存储区。用户程序：运行在用户态，不能去执行OS指令和访
19、问OS区域。OS内核：运行在系统态。进程控制：是由OS内核实现的。,(1)创建进程的时机 用户登录：在分时系统中，用户在终端键入登录命 令后，系统将为该终端用户建立一进程，并把它插入 就绪队列。 提供服务：当运行中的用户程序提出某种请求后， 系统将专门创建一个进程来提供用户所需要的服务。 如用户程序请求文件打印，OS将为之创建一个 打印进程，打印进程和用户进程可并发执行。,1. 创建原语（UNIX系统用fork() ）,作业调度：在批处理系统中，将作业装入内存 时，为它分配必要的资源，系统并立即为它创建 进程，再插入就绪队列。 应用请求：基于应用进程的需要，由它自己创 建一个新进程（子进程），
20、可并发执行。如某应用程序需要：从键盘读入数据（建立 键盘输入进程）、处理数据、以表格形式在屏幕 上显示结果（表格输出进程）。,(2)进程的创建 一旦OS发现了要求创建新进程的事件后，便调动进程创 建原语，步骤如下 申请空白PCB，分配唯一的数字标识符。 为新进程分配资源。为其程序和数据，以及用户栈分配 必要的内存空间。 初始化进程控制块。把调用者提供的参数：进程名、进程优先级、实体所在主存的起始地址、所需的资源清单、 记帐信息及进程家族关系等填入PCB结构中。 将新进程插入就绪队列。,入口,查PCB链表,有空PCB？,PCB（I）入进程家族或进程链,PCB( I )入就绪队列,将有关参数填入P
21、CB（I）相应项,取空表PCB(I),返回,创建失败,无,创建原语流程图,有,2.撤消原语 撤消：是指撤消进程存在的标志(PCB)。(1)进程终止的时机 正常结束：进程运行完，将产生一个中断，通知OS进程已运行完毕。 异常结束：进程运行期间，出现某些错误或故障，而迫使进程终止。故障中断。 外界干预： 操作员或OS干预。如发生死锁。 父进程请求。父进程有权终止子进程。 父进程终止。此时，OS将其子进程终止。,(2)进程终止的过程 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出其状态。 若正处于执行状态，则终止。 若有子孙进程，也须终止，以防成为不可控的。 将其全部资源或归还
22、其父进程或归还系统。 将其PCB从所在队列中移出，等待其它程序来搜集信息。,入口,返回,查进程链表或进程家族,有此PCB吗？,该PCB有子进程吗？,释放该进程所占有的资源,释放该PCB结构本身,出错处理,有,无,有,无,3.进程的阻塞和唤醒 (1) 引起进程的阻塞和唤醒的事件 请求系统服务，暂得不到满足。例一进程请求打印机，无，被阻塞，由释放打印机者将其唤醒。 启动某种操作。例进程启动某I/O操作。 新数据尚未到达。相互合作的进程，一个须等待另一个提供的数据后才能运行。 无新工作可做。例发送进程，无新的发送请求时，边将自己阻塞起来。,(2) 阻塞过程无法运行的进程自己调用阻塞原语阻塞自己。 中
23、断CPU. 将其运行现场保存在其PCB的CPU现场保护区。 置状态为阻塞态。 插入相应事件的等待队列(阻塞队列)中。 转进程调度。,(3)醒过程被阻塞进程所期待的事件出现了，则由有关进程调用唤 醒原语将其唤醒。 把被阻塞进程从阻塞队列中移出。 将其PCB的现行状态改为就绪状态。 插入就绪队列中。 (4)阻塞原语和唤醒原语是一对刚好相反的原语。若在某进程中调用了阻塞原语，则须在另一相关进程调 用唤醒原语，否则，被阻塞进程会长久地处于阻塞状态，无 机会运行。,入口,入口,保存当前进程的CPU现场,从等待队列中摘下被唤醒进程,置该进程的状态,被阻塞进程入等待队列,转进程调度,将被唤醒进程置为就绪状态
24、,将被唤醒进程送入就绪队列,转进程调度返回,阻塞原语,唤醒原语,4.挂起和解挂(激活)（1）挂起状态的引入 用户的需要：用户在自己的程序运行期间，发现有问题 时，希望暂时使自己的进程静止下来。把这种静止状态称 为挂起状态。执行状态暂停执行；就绪状态-暂不接受调度。 父进程的需要：考查和修改子进程或协调子进程间的活动时。 交换的需要：内存不够，从内存换至外存。 负荷调整的需要：实时系统工作负荷较重。,(2)进程的挂起过程 运行态静止就绪 活动就绪静止就绪 活动阻塞静止阻塞(3)解挂（激活）过程 发生激活进程的事件，系统调用激活原语将指定的进程激活。静止就绪活动就绪静止阻塞活动阻塞若在外存处于静止就绪，则从外存调入内存，活动就绪。,
