操作系統(tǒng)原理_方敏_進(jìn)程及線程基本知識(shí)

1、操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)程和線程基本知識(shí)操作系統(tǒng)課程組Xidian UniversityOS Experiments -2-內(nèi)容安排進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的基本概念進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程間的相互作用進(jìn)程間的相互作用 線程的基本概念線程的基本概念Xidian UniversityOS Experiments -3-進(jìn)程的基本概念定義定義v進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，該進(jìn)程可與其它進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行；它是一個(gè)動(dòng)進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，該進(jìn)程可與其它進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行；它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)程既是資源的基本分配單元，態(tài)的實(shí)體，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)程既是資源的基本分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。也是基本的

2、執(zhí)行單元。進(jìn)程與程序的區(qū)別和聯(lián)系進(jìn)程與程序的區(qū)別和聯(lián)系v程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。程序是有序代碼的集合；進(jìn)程是程序程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的。程序是有序代碼的集合；進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行。的一次執(zhí)行。v進(jìn)程是暫時(shí)的，程序的永久的。進(jìn)程是一個(gè)變化的過(guò)程，有生命周期，進(jìn)程是暫時(shí)的，程序的永久的。進(jìn)程是一個(gè)變化的過(guò)程，有生命周期，暫時(shí)存在，程序沒有生命周期，可長(zhǎng)久保存。暫時(shí)存在，程序沒有生命周期，可長(zhǎng)久保存。v進(jìn)程還是操作系統(tǒng)資源分配和保護(hù)的基本單位，程序沒有此功能。進(jìn)程還是操作系統(tǒng)資源分配和保護(hù)的基本單位，程序沒有此功能。v進(jìn)程與程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)多次執(zhí)行，一個(gè)程序可對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程；進(jìn)程與程序的對(duì)

3、應(yīng)關(guān)系。通過(guò)多次執(zhí)行，一個(gè)程序可對(duì)應(yīng)多個(gè)進(jìn)程；通過(guò)調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)程序。通過(guò)調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)程序。v進(jìn)程與程序的結(jié)構(gòu)不同。進(jìn)程與程序的結(jié)構(gòu)不同。Xidian UniversityOS Experiments -4-進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的組成進(jìn)程的組成PCB Process Control Block 靈魂，進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。靈魂，進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序 程序：描述了進(jìn)程要完成的功能，是程序：描述了進(jìn)程要完成的功能，是 進(jìn)程執(zhí)行時(shí)不可修改的部分。進(jìn)程執(zhí)行時(shí)不可修改的部分。 數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行時(shí)用到的數(shù)據(jù)（用數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行時(shí)用到的數(shù)據(jù)（用 戶輸入的數(shù)據(jù)、常量、靜態(tài)

4、變量）。戶輸入的數(shù)據(jù)、常量、靜態(tài)變量）。 工作區(qū)工作區(qū) 工作區(qū)：參數(shù)傳遞、系統(tǒng)調(diào)用時(shí)使工作區(qū)：參數(shù)傳遞、系統(tǒng)調(diào)用時(shí)使 用的動(dòng)態(tài)區(qū)域（堆棧區(qū)）。用的動(dòng)態(tài)區(qū)域（堆棧區(qū)）。實(shí)體實(shí)體Xidian UniversityOS Experiments -5-進(jìn)程的基本概念進(jìn)程進(jìn)程/線程的執(zhí)行線程的執(zhí)行運(yùn)行運(yùn)行Running被調(diào)度被調(diào)度時(shí)間片用時(shí)間片用完，中斷完，中斷資源釋放或資源釋放或事件完成事件完成阻塞阻塞Blocked等待資源等待資源和事件和事件進(jìn)程占有處理機(jī)，處理機(jī)正在執(zhí)行該進(jìn)進(jìn)程占有處理機(jī)，處理機(jī)正在執(zhí)行該進(jìn)程的程序。程的程序。進(jìn)程已獲得除處理機(jī)外進(jìn)程已獲得除處理機(jī)外的所需資源，等待分配的所需資源，

5、等待分配處理機(jī)執(zhí)行。處理機(jī)執(zhí)行。也叫等待、掛起、睡眠態(tài)，此時(shí)進(jìn)也叫等待、掛起、睡眠態(tài)，此時(shí)進(jìn)程因等待某種條件（如程因等待某種條件（如I/O操作或進(jìn)操作或進(jìn)程同步）無(wú)法運(yùn)行。引起進(jìn)程阻塞程同步）無(wú)法運(yùn)行。引起進(jìn)程阻塞的原因很多，系統(tǒng)將根據(jù)不同的阻的原因很多，系統(tǒng)將根據(jù)不同的阻塞原因?qū)⑦M(jìn)程插入某個(gè)相應(yīng)的阻塞塞原因?qū)⑦M(jìn)程插入某個(gè)相應(yīng)的阻塞隊(duì)列中。隊(duì)列中。就緒就緒ReadyXidian UniversityOS Experiments -6-進(jìn)程的基本概念運(yùn)行運(yùn)行就緒就緒阻塞阻塞被調(diào)度被調(diào)度時(shí)間片用時(shí)間片用完，中斷完，中斷資源釋放或資源釋放或事件完成事件完成等待資源等待資源和事件和事件新建新建創(chuàng)建完畢

6、創(chuàng)建完畢結(jié)束結(jié)束結(jié)束執(zhí)行結(jié)束執(zhí)行五種進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換五種進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換Xidian UniversityOS Experiments -7-進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的特征進(jìn)程的特征v并發(fā)性：執(zhí)行時(shí)間可以重疊；并發(fā)性：執(zhí)行時(shí)間可以重疊；v動(dòng)態(tài)性：有生命周期，存在不同的狀態(tài)；動(dòng)態(tài)性：有生命周期，存在不同的狀態(tài)；v獨(dú)立性：獨(dú)立執(zhí)行，是資源分配和調(diào)度的獨(dú)立單位；獨(dú)立性：獨(dú)立執(zhí)行，是資源分配和調(diào)度的獨(dú)立單位；v制約性：雖然獨(dú)立執(zhí)行，但可能存在相互制約關(guān)系；制約性：雖然獨(dú)立執(zhí)行，但可能存在相互制約關(guān)系；v異步性：各進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間相對(duì)獨(dú)立，不確定；異步性：各進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間相對(duì)獨(dú)立，不確定；v結(jié)構(gòu)性：擁有固定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)性：擁

7、有固定結(jié)構(gòu)。Xidian UniversityOS Experiments -8-進(jìn)程調(diào)度定義定義v就是按照一定的算法，從就緒隊(duì)列中選擇某個(gè)進(jìn)程占用就是按照一定的算法，從就緒隊(duì)列中選擇某個(gè)進(jìn)程占用CPU的方法的方法對(duì)對(duì)CPU資源進(jìn)行合理的分配使用，以提高處理機(jī)利用率，并使各進(jìn)資源進(jìn)行合理的分配使用，以提高處理機(jī)利用率，并使各進(jìn)程公平得到處理機(jī)資源。程公平得到處理機(jī)資源。進(jìn)程調(diào)度算法進(jìn)程調(diào)度算法v先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)調(diào)度算法 (FCFS, First Come First Served)PCBPCBPCBPCB就緒隊(duì)列就緒隊(duì)列CPUXidian UniversityOS Experime

8、nts -9-進(jìn)程調(diào)度v基于優(yōu)先數(shù)的調(diào)度算法基于優(yōu)先數(shù)的調(diào)度算法(Priority Scheduling Algorithm)思想：給每一個(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)優(yōu)先數(shù)思想：給每一個(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)優(yōu)先數(shù)(優(yōu)先級(jí)優(yōu)先級(jí))，系統(tǒng)在調(diào)度時(shí)優(yōu)先選擇具，系統(tǒng)在調(diào)度時(shí)優(yōu)先選擇具有高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程占用有高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程占用CPU。具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程按照。具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程按照FCFS算法執(zhí)行。算法執(zhí)行。優(yōu)先數(shù)的確定：優(yōu)先數(shù)的確定：運(yùn)行前：可根據(jù)外設(shè)的使用情況，運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，緊急程度，重要運(yùn)行前：可根據(jù)外設(shè)的使用情況，運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，緊急程度，重要程度等因素確定。程度等因素確定。運(yùn)行中：運(yùn)行中：l靜態(tài)優(yōu)先數(shù)法：靜態(tài)優(yōu)先

9、數(shù)法：進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)就規(guī)定好它的優(yōu)先數(shù)，這個(gè)數(shù)值在進(jìn)進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)就規(guī)定好它的優(yōu)先數(shù)，這個(gè)數(shù)值在進(jìn)程運(yùn)行時(shí)不變。程運(yùn)行時(shí)不變。l動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)法：進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)在執(zhí)行過(guò)程中可以根據(jù)情況變化而：進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)在執(zhí)行過(guò)程中可以根據(jù)情況變化而改變。改變。Xidian UniversityOS Experiments -10-進(jìn)程調(diào)度v時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法 (RR, Round Robin)特點(diǎn)：專門為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。類似于特點(diǎn)：專門為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。類似于FCFS算法但是增加了搶占及進(jìn)程間算法但是增加了搶占及進(jìn)程間的切換功能。的切換功能。思想：系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度思想：系統(tǒng)規(guī)定一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度(時(shí)間片時(shí)間片

10、/時(shí)間量時(shí)間量)作為允許一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的作為允許一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)間，如果在這段時(shí)間該進(jìn)程沒有執(zhí)行完，則必須讓出時(shí)間，如果在這段時(shí)間該進(jìn)程沒有執(zhí)行完，則必須讓出CPU等待下一次等待下一次分配的時(shí)間片。分配的時(shí)間片。PCBPCBPCBPCBCPU就緒隊(duì)列就緒隊(duì)列時(shí)間片用完時(shí)間片用完執(zhí)行執(zhí)行Xidian UniversityOS Experiments -11-進(jìn)程調(diào)度v多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法(Multilevel Feedback Queue Scheduling)思想：引入多個(gè)就緒隊(duì)列，通過(guò)對(duì)各隊(duì)列的區(qū)別對(duì)待，達(dá)到一個(gè)綜合的思想：引入多個(gè)就緒隊(duì)列，通過(guò)對(duì)各隊(duì)列的區(qū)別對(duì)待，達(dá)到一個(gè)

11、綜合的調(diào)度目標(biāo)。調(diào)度目標(biāo)。CPU降低進(jìn)程優(yōu)先級(jí)降低進(jìn)程優(yōu)先級(jí)完成完成PCBPCBPCBPCB最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PCBPCBPCBPCB次高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列次高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PCBPCBPCBPCB低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列執(zhí)執(zhí)行行時(shí)時(shí)間間遞遞增增Xidian UniversityOS Experiments -12-進(jìn)程間的相互作用 同步同步v進(jìn)程之間相互合作、協(xié)同工作的關(guān)系稱為進(jìn)程的同步。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是：進(jìn)程之間相互合作、協(xié)同工作的關(guān)系稱為進(jìn)程的同步。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是：多個(gè)相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)。進(jìn)程間的直接制約。多個(gè)相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)。進(jìn)程間的直接制約。臨界資源臨界資源v也稱獨(dú)占資源，

12、是指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源。例如也稱獨(dú)占資源，是指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源。例如打印機(jī)，磁帶機(jī)，也可以是進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)、變量等。打印機(jī)，磁帶機(jī)，也可以是進(jìn)程共享的數(shù)據(jù)、變量等?；コ饣コ鈜定義：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程因?yàn)闋?zhēng)奪臨界資源而互斥執(zhí)行稱為進(jìn)程的互斥。進(jìn)定義：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程因?yàn)闋?zhēng)奪臨界資源而互斥執(zhí)行稱為進(jìn)程的互斥。進(jìn)程間的間接制約。程間的間接制約。Xidian UniversityOS Experiments -13-進(jìn)程間的相互作用互斥解決方案互斥解決方案v關(guān)中斷法關(guān)中斷法(開關(guān)中斷指令開關(guān)中斷指令)也稱為也稱為“硬件鎖硬件鎖”，是實(shí)現(xiàn)互斥最簡(jiǎn)單的方法。，是實(shí)現(xiàn)互斥最簡(jiǎn)單的方法

13、。做法：每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)后先關(guān)中斷，屏蔽其它請(qǐng)求，在離開之前做法：每個(gè)進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)后先關(guān)中斷，屏蔽其它請(qǐng)求，在離開之前再開中斷。再開中斷。v鎖變量法鎖變量法(測(cè)試和設(shè)置指令測(cè)試和設(shè)置指令)做法：設(shè)置一個(gè)共享做法：設(shè)置一個(gè)共享(鎖鎖)變量變量W，初值為，初值為0。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程想進(jìn)入其臨界區(qū)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程想進(jìn)入其臨界區(qū)時(shí)，它首先測(cè)試這把鎖。如果鎖的值為時(shí)，它首先測(cè)試這把鎖。如果鎖的值為0，則進(jìn)程將其置為，則進(jìn)程將其置為1并進(jìn)入臨界并進(jìn)入臨界區(qū)。若鎖已經(jīng)為區(qū)。若鎖已經(jīng)為1，則進(jìn)程等待直到其變成，則進(jìn)程等待直到其變成0。于是，。于是，0就表示臨界區(qū)內(nèi)沒就表示臨界區(qū)內(nèi)沒有進(jìn)程，有進(jìn)程，1表示已經(jīng)有某

14、個(gè)進(jìn)程進(jìn)入了臨界區(qū)。表示已經(jīng)有某個(gè)進(jìn)程進(jìn)入了臨界區(qū)。v其它方法其它方法Dekker算法：進(jìn)程被強(qiáng)制輪流進(jìn)入臨界區(qū)算法：進(jìn)程被強(qiáng)制輪流進(jìn)入臨界區(qū)(不管是否愿意不管是否愿意)。Peterson算法：設(shè)置標(biāo)識(shí)指示是否又要求進(jìn)入臨界區(qū)。算法：設(shè)置標(biāo)識(shí)指示是否又要求進(jìn)入臨界區(qū)。Xidian UniversityOS Experiments -14-進(jìn)程間的相互作用信號(hào)量信號(hào)量(Semaphore)和和P、V操作操作v信號(hào)量：信號(hào)量：1965年由荷蘭學(xué)者年由荷蘭學(xué)者Dijkstra提出，它是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。提出，它是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。功能：表示資源的實(shí)體。功能：表示資源的實(shí)體。特殊之處：特殊之處：每

15、個(gè)信號(hào)量與一個(gè)隊(duì)列關(guān)聯(lián)；每個(gè)信號(hào)量與一個(gè)隊(duì)列關(guān)聯(lián)；其值只能通過(guò)初始化和其值只能通過(guò)初始化和P、V操作來(lái)訪問(wèn)。操作來(lái)訪問(wèn)。v信號(hào)量的類型：信號(hào)量的類型：公用信號(hào)量：用于進(jìn)程間的互斥，初值通常為公用信號(hào)量：用于進(jìn)程間的互斥，初值通常為1私有信號(hào)量：用于進(jìn)程間的同步，初值通常為私有信號(hào)量：用于進(jìn)程間的同步，初值通常為0或或nXidian UniversityOS Experiments -15-進(jìn)程間的相互作用vP、V操作操作 (均是原語(yǔ)均是原語(yǔ))P操作：荷蘭語(yǔ)操作：荷蘭語(yǔ)“proberen”“檢測(cè)檢測(cè)”之意。之意。 意味著請(qǐng)求分配一個(gè)單位資源。意味著請(qǐng)求分配一個(gè)單位資源。P(S)： /S為信號(hào)量為

16、信號(hào)量 S = S - 1; if (S 0) 調(diào)用進(jìn)程被阻塞，調(diào)用進(jìn)程被阻塞， 進(jìn)入進(jìn)入S的等待隊(duì)列；的等待隊(duì)列； PCBPCBPCBPCB和和S相關(guān)的等待隊(duì)列相關(guān)的等待隊(duì)列PCBXidian UniversityOS Experiments -16-進(jìn)程間的相互作用V操作：荷蘭語(yǔ)操作：荷蘭語(yǔ)“verhogen”“增量增量”之意，之意， 意味著釋放一個(gè)單位資源。意味著釋放一個(gè)單位資源。V(S)： /S為信號(hào)量為信號(hào)量 S = S + 1; if (S = 0) 從從S的等待隊(duì)列中喚醒一個(gè)進(jìn)程的等待隊(duì)列中喚醒一個(gè)進(jìn)程 使其進(jìn)入就緒狀態(tài)；使其進(jìn)入就緒狀態(tài)； PCBPCBPCBPCB和和S相關(guān)的等

17、待隊(duì)列相關(guān)的等待隊(duì)列PCBXidian UniversityOS Experiments -17-進(jìn)程間的相互作用信號(hào)量及信號(hào)量及P、V操作的應(yīng)用操作的應(yīng)用v進(jìn)程的互斥進(jìn)程的互斥semaphore S; /設(shè)置公有信號(hào)量設(shè)置公有信號(hào)量S = 1; /初值初值 P(S); print file1; V(S); P(S); print file2; V(S); Xidian UniversityOS Experiments -18-進(jìn)程間的相互作用v進(jìn)程的同步進(jìn)程的同步生產(chǎn)者與消費(fèi)者問(wèn)題生產(chǎn)者與消費(fèi)者問(wèn)題問(wèn)題描述問(wèn)題描述：生產(chǎn)者生產(chǎn)者緩沖區(qū)緩沖區(qū)消費(fèi)者消費(fèi)者 cooking; P(S1); put

18、 in dish; V(S2);semaphore S1, S2 ; /設(shè)置私有信號(hào)量設(shè)置私有信號(hào)量S1=1; /表示盤子是否空表示盤子是否空S2=0; /表示盤子里是否有東西表示盤子里是否有東西 P(S2); take out from dish; V(S1); eating;Xidian UniversityOS Experiments -19-線程的基本概念定義定義v線程線程(thread)也叫輕型進(jìn)程，是一個(gè)可執(zhí)行的實(shí)體單元。它代替以往也叫輕型進(jìn)程，是一個(gè)可執(zhí)行的實(shí)體單元。它代替以往的進(jìn)程，成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)中處理機(jī)調(diào)度的基本單位。的進(jìn)程，成為現(xiàn)代操作系統(tǒng)中處理機(jī)調(diào)度的基本單位。線程和進(jìn)

19、程的關(guān)系線程和進(jìn)程的關(guān)系多線程模型多線程模型1、線程是進(jìn)程的一個(gè)組成部分，線程由進(jìn)程創(chuàng)、線程是進(jìn)程的一個(gè)組成部分，線程由進(jìn)程創(chuàng)建，因此一個(gè)進(jìn)程中至少存在一個(gè)線程，線程還建，因此一個(gè)進(jìn)程中至少存在一個(gè)線程，線程還可以創(chuàng)建其它線程?？梢詣?chuàng)建其它線程。2、進(jìn)程是資源分配和保護(hù)的基本單位，線程只、進(jìn)程是資源分配和保護(hù)的基本單位，線程只能在進(jìn)程的地址空間活動(dòng)，線程只能使用其所在能在進(jìn)程的地址空間活動(dòng)，線程只能使用其所在進(jìn)程的資源。進(jìn)程的資源。Xidian UniversityOS Experiments -20-線程的基本概念線程的結(jié)構(gòu)線程的結(jié)構(gòu)PCB程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)程程地地址址空空間間TCB棧棧線程線程1TCB棧棧線程線程2TCB棧棧線程線程3線程的特點(diǎn)：線程的特點(diǎn)：1、線程作為基本的調(diào)度單位，、線程作為基本的調(diào)度單位，其狀態(tài)有：就緒、運(yùn)行、阻塞其狀態(tài)有：就緒、運(yùn)行、阻塞等；等；2、