OS02進程描述201420152

1、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)Operating Systems第二章第二章 進程進程管理管理中斷中斷 其他模塊（其他模塊（I / O，存儲器）可以中斷處理器的正常執(zhí)行序列，存儲器）可以中斷處理器的正常執(zhí)行序列 中斷類型中斷類型 程序性中斷：如算術(shù)溢出，除零程序性中斷：如算術(shù)溢出，除零 定時器：由處理器內(nèi)的定時器產(chǎn)生。定時器：由處理器內(nèi)的定時器產(chǎn)生。 I/O中斷：由中斷：由I/O控制器產(chǎn)生，通知操作正常完成的或各控制器產(chǎn)生，通知操作正常完成的或各種錯誤情況。種錯誤情況。 硬件故障，如電源故障硬件故障，如電源故障STARTHALTFetch nextinstructionFetch StageExecute

2、StageInterrupt StageInterruptsDisabledInterruptsEnabledExecuteinstructionCheck forinterrupt;initiate interrupthandlerFigure 1.7 Instruction Cycle with Interrupts 在中斷階段中，處理器檢查是否有中斷發(fā)生。在中斷階段中，處理器檢查是否有中斷發(fā)生。 如果沒有中斷，處理器取當(dāng)前程序的下一條指令。如果沒有中斷，處理器取當(dāng)前程序的下一條指令。 如果發(fā)生中斷，處理器暫停當(dāng)前程序，并執(zhí)行中斷處理程序。如果發(fā)生中斷，處理器暫停當(dāng)前程序，并執(zhí)行中斷處理程

3、序。 在中斷處理程序程序一般是操作系統(tǒng)的一部分。在中斷處理程序程序一般是操作系統(tǒng)的一部分。 當(dāng)中斷處理程序完成后，處理器在斷點處繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。當(dāng)中斷處理程序完成后，處理器在斷點處繼續(xù)執(zhí)行用戶程序。12ii + 1MInterruptoccurs hereUser ProgramInterrupt HandlerFigure 1.6 Transfer of Control via InterruptsThe processor and the OS are responsible for suspending the user program and then resuming it at

4、the same point.Device controller orother system hardwareissues an interruptProcessor finishesexecution of currentinstructionProcessor sig nalsacknowledg mentof interruptProcessor pushes PSWand PC onto controlstackProcessor loads newPC value based oninterruptSave remainder ofprocess stateinformationP

5、rocess interruptRestore process stateinformationRestore old PSWand PCHardwareSoftwareFig ure 1.10 Simple Interrupt Processing設(shè)備控制器或其他系統(tǒng)設(shè)備控制器或其他系統(tǒng)硬件發(fā)出中斷硬件發(fā)出中斷處理機完成當(dāng)前指令執(zhí)處理機完成當(dāng)前指令執(zhí)行行處理機發(fā)出中斷應(yīng)答信處理機發(fā)出中斷應(yīng)答信號號處理機保存現(xiàn)場，如保處理機保存現(xiàn)場，如保存存PC值值處理機將中斷服務(wù)程序處理機將中斷服務(wù)程序入口地址裝入到入口地址裝入到PC保存剩余的處理狀態(tài)保存剩余的處理狀態(tài)處理中斷處理中斷恢復(fù)處理狀態(tài)信息恢復(fù)處

6、理狀態(tài)信息恢復(fù)舊恢復(fù)舊PC第二章第二章進程進程管理管理2.1前趨圖和程序執(zhí)行前趨圖和程序執(zhí)行 2.2進程的描述進程的描述2.3進程控制進程控制 2.4進程同步進程同步2.5 經(jīng)典進程的同步問題進程通信經(jīng)典進程的同步問題進程通信 2.6進程通信進程通信2.7 2.7 線程線程的基本概念的基本概念2.1前趨圖和程序執(zhí)行前趨圖和程序執(zhí)行 程序的順序執(zhí)行及其特征程序的順序執(zhí)行及其特征 S1: a:=x+y; S2: b:=a-5; S3: c:=b+1; 順序性順序性-順序執(zhí)行；順序執(zhí)行； 封閉性封閉性-程序運行時獨占全機資源，不受外界影響；程序運行時獨占全機資源，不受外界影響； 可再現(xiàn)性可再現(xiàn)性-程

7、序重復(fù)執(zhí)行時將得到相同結(jié)果；程序重復(fù)執(zhí)行時將得到相同結(jié)果；S1S2S3ab2.1.3 2.1.3 程序的并發(fā)執(zhí)行程序的并發(fā)執(zhí)行 對于具有下述四條語句的程序段：對于具有下述四條語句的程序段： S1: a:=x+2 S1: a:=x+2 S2: b:=y+4 S2: b:=y+4 S3: c:=a+b S3: c:=a+b S4: d:=c+b S4: d:=c+b S1S3S4acS2bd程序的并發(fā)執(zhí)行時的特征程序的并發(fā)執(zhí)行時的特征 間斷性間斷性-并發(fā)執(zhí)行導(dǎo)致間斷性；并發(fā)執(zhí)行導(dǎo)致間斷性； 失去封閉性失去封閉性-多個程序共享資源，受外界影響；多個程序共享資源，受外界影響； 不可再現(xiàn)性不可再現(xiàn)性-程

8、序重復(fù)執(zhí)行時可能到不同結(jié)果；程序重復(fù)執(zhí)行時可能到不同結(jié)果；P1P2案例案例 例如：某交通路口設(shè)置了一個自動計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由觀例如：某交通路口設(shè)置了一個自動計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由觀察者和報告者共同組成。察者和報告者共同組成。 觀察者觀察者 報告者報告者 交通路口自動計數(shù)系統(tǒng)交通路口自動計數(shù)系統(tǒng) 觀察到一輛卡車觀察到一輛卡車將計數(shù)值將計數(shù)值N累加累加1 將計數(shù)值將計數(shù)值N清清0輸出計數(shù)值輸出計數(shù)值NProcedure 觀察者觀察者 begin 觀察到一輛卡車；觀察到一輛卡車； N=N+1；end Procedure 報告者報告者 begin print N； N=0；end 假設(shè)某時刻假設(shè)某時刻N的

9、值為的值為m，可能出現(xiàn)下面情況：，可能出現(xiàn)下面情況：print的的N值值 N的最終取值的最終取值（1）m+1 0（2）m 1（3）m 0 觀察者觀察者 ；報告者；報告者報告者；報告者； 觀察者觀察者報告者報告者Print N； 觀察者觀察者N=N+1;報告者報告者N=0操作系統(tǒng)為什么要引入進程概念操作系統(tǒng)為什么要引入進程概念? 刻畫系統(tǒng)的動態(tài)性，發(fā)揮系統(tǒng)的并發(fā)性，提高資源利用率?？坍嬒到y(tǒng)的動態(tài)性，發(fā)揮系統(tǒng)的并發(fā)性，提高資源利用率。 程序是并發(fā)執(zhí)行的，即不是連續(xù)而是走走停停的。程序是并發(fā)執(zhí)行的，即不是連續(xù)而是走走停停的。 程序的并發(fā)執(zhí)行引起資源共享和競爭問題，執(zhí)行的程序不程序的并發(fā)執(zhí)行引起資源共

10、享和競爭問題，執(zhí)行的程序不再處在封閉環(huán)境中。再處在封閉環(huán)境中。 “程序程序”自身只是計算任務(wù)的指令和數(shù)據(jù)的描述，是靜態(tài)概自身只是計算任務(wù)的指令和數(shù)據(jù)的描述，是靜態(tài)概念念 無法刻畫程序的并發(fā)特性，無法刻畫程序的并發(fā)特性， 系統(tǒng)需要尋找一個能描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的概念系統(tǒng)需要尋找一個能描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的概念進程實體進程實體 為使程序為使程序(含數(shù)據(jù)含數(shù)據(jù))能獨立運行，應(yīng)為之配置一能獨立運行，應(yīng)為之配置一進程控制塊進程控制塊（PCB，Process Control Block)； 由程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段和由程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段和PCB三部分便構(gòu)成了三部分便構(gòu)成了進程進程實體（進程映像）實體（進程

11、映像）。 程序段程序段 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段PCB動態(tài)特征的集中反映動態(tài)特征的集中反映描述要完成的功能描述要完成的功能操作對象及工作區(qū)操作對象及工作區(qū)進程的定義進程的定義 較典型的進程定義有：較典型的進程定義有：（1 1）進程是程序的一次執(zhí)行。）進程是程序的一次執(zhí)行。（2 2）進程是一個程序及其數(shù)據(jù)）進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動。生的活動。（3 3）進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)）進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。 我們可以把我們可以把傳統(tǒng)傳統(tǒng)OS中的進程定

12、義為：中的進程定義為： “進程是進程是進程實體進程實體的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位和調(diào)度的一個獨立單位”進程的特征進程的特征 動態(tài)性動態(tài)性 并發(fā)性并發(fā)性 獨立性獨立性 異步性異步性 進程的特征進程的特征 動態(tài)性動態(tài)性 進程的最基本的特征。進程的最基本的特征。 程序只是一組有序指令的集合，并存放于某種介質(zhì)上，程序只是一組有序指令的集合，并存放于某種介質(zhì)上，其本身并不具有運動的含義，因而是靜態(tài)的。其本身并不具有運動的含義，因而是靜態(tài)的。 進程實體有一定的生命期：進程實體有一定的生命期：“它由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由它由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度調(diào)度而執(zhí)行，由撤消而

13、消亡而執(zhí)行，由撤消而消亡” 作業(yè)調(diào)度與進程調(diào)度作業(yè)調(diào)度與進程調(diào)度進程的特征進程的特征 并發(fā)性并發(fā)性 并發(fā)性是進程的重要特征，也成為并發(fā)性是進程的重要特征，也成為OSOS的重要特征。的重要特征。 引入進程的目的：正是為了使其進程實體能和其它進程引入進程的目的：正是為了使其進程實體能和其它進程實體并發(fā)執(zhí)行；實體并發(fā)執(zhí)行； 獨立性獨立性 在在傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的OS中，獨立性是指進程實體是一個能獨立運行中，獨立性是指進程實體是一個能獨立運行、獨立分配資源和獨立接受調(diào)度的基本單位。、獨立分配資源和獨立接受調(diào)度的基本單位。 異步性異步性 進程按各自獨立的、進程按各自獨立的、 不可預(yù)知的速度向前推進，或說進不可預(yù)

14、知的速度向前推進，或說進程實體按異步方式運行。程實體按異步方式運行。進程的三種基本狀態(tài)進程的三種基本狀態(tài) 就緒就緒(Ready)(Ready)狀態(tài)狀態(tài) 進程已分配到除進程已分配到除CPU以外的所有必要資源。以外的所有必要資源。 就緒隊列就緒隊列 執(zhí)行狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài) 進程已獲得進程已獲得CPUCPU，其程序正在執(zhí)行。，其程序正在執(zhí)行。 在單處理機系統(tǒng)中，只有一個進程處于執(zhí)行狀態(tài)；在單處理機系統(tǒng)中，只有一個進程處于執(zhí)行狀態(tài)； 在多處理機系統(tǒng)中，則有多個進程處于執(zhí)行狀態(tài)。在多處理機系統(tǒng)中，則有多個進程處于執(zhí)行狀態(tài)。 阻塞狀態(tài)阻塞狀態(tài) 正在執(zhí)行的進程由于發(fā)生某事件而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行時正在執(zhí)行的進程由于發(fā)

15、生某事件而暫時無法繼續(xù)執(zhí)行時，便放棄處理機而處于暫停狀態(tài)。，便放棄處理機而處于暫停狀態(tài)。 引起阻塞的事件引起阻塞的事件就緒隊列和各種就緒隊列和各種I/O設(shè)備隊列設(shè)備隊列進程三個基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換進程三個基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換執(zhí)行執(zhí)行就緒就緒阻塞阻塞進進程程調(diào)調(diào)度度時時間間片片完完I/OI/O請求請求I/OI/O完成完成創(chuàng)建狀態(tài)創(chuàng)建狀態(tài) 創(chuàng)建狀態(tài)創(chuàng)建狀態(tài) OS OS 已完成為創(chuàng)建一進程所必要的工作已完成為創(chuàng)建一進程所必要的工作為一個新進程創(chuàng)建為一個新進程創(chuàng)建PCB，并填寫必要的管理信息；，并填寫必要的管理信息；p已構(gòu)造了進程標識符已構(gòu)造了進程標識符p已創(chuàng)建了管理進程所需的表格已創(chuàng)建了管理進程所需的表格

16、但還沒有允許執(zhí)行該進程但還沒有允許執(zhí)行該進程 該進程所必需的資源或其它信息尚未分配該進程所必需的資源或其它信息尚未分配p進程還不能被調(diào)度運行進程還不能被調(diào)度運行終止狀態(tài)終止狀態(tài) 終止狀態(tài)終止狀態(tài) 中止后，它將進入終止狀態(tài)。中止后，它將進入終止狀態(tài)。 終止態(tài)的進程不能再執(zhí)行。終止態(tài)的進程不能再執(zhí)行。 一旦其它進程完成了對終止狀態(tài)進程的信息提取之后，一旦其它進程完成了對終止狀態(tài)進程的信息提取之后，操作系統(tǒng)將刪除該進程。操作系統(tǒng)將刪除該進程。如：一個實用程序為了分析性能和利用率，可能需要如：一個實用程序為了分析性能和利用率，可能需要提取進程的歷史信息提取進程的歷史信息進程的五種基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換進程的五

17、種基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換 執(zhí)行執(zhí)行就緒就緒阻塞阻塞進進程程調(diào)調(diào)度度時時間間片片完完I/OI/O請求請求I/OI/O完成完成創(chuàng)建創(chuàng)建終止終止許許可可結(jié)束結(jié)束掛起狀態(tài)掛起狀態(tài) 引入掛起狀態(tài)的原因引入掛起狀態(tài)的原因 終端用戶的請求。終端用戶的請求。 (2) 父進程請求。父進程請求。 (3) 負荷調(diào)節(jié)的需要。負荷調(diào)節(jié)的需要。 為了讓某些進程暫時不參與進程調(diào)度，為了讓某些進程暫時不參與進程調(diào)度，釋放它占有的資源釋放它占有的資源(4) 操作系統(tǒng)的需要。操作系統(tǒng)的需要。 掛起狀態(tài)掛起狀態(tài)( (靜止狀態(tài)靜止狀態(tài)) )非掛起狀態(tài)非掛起狀態(tài)( (活動狀態(tài)活動狀態(tài)) )具有掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)圖具有掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)圖釋放釋

18、放激激活活掛掛起起調(diào)調(diào)度度時時間間片片完完I/OI/O請求請求執(zhí)行執(zhí)行活動活動就緒就緒釋放釋放靜止靜止就緒就緒激激活活掛掛起起靜止靜止阻塞阻塞活動活動阻塞阻塞掛掛起起具有創(chuàng)建、終止和掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)圖具有創(chuàng)建、終止和掛起狀態(tài)的進程狀態(tài)圖釋放釋放激激活活掛掛起起調(diào)調(diào)度度時時間間片片完完I/OI/O請求請求執(zhí)行執(zhí)行活動活動就緒就緒釋放釋放靜止靜止就緒就緒激激活活掛掛起起靜止靜止阻塞阻塞活動活動阻塞阻塞掛掛起起創(chuàng)建創(chuàng)建許許可可許許可可終止終止結(jié)束結(jié)束2.2.4 進程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ProcessorI/ OI/ OFigure 3.10 Processes and Resour

19、ces (resource allocation at one snapshot in time)I/ OMainMemoryComputerResourcesVirtualMemoryP1P2Pn進程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進程管理中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 操作系統(tǒng)構(gòu)造和維護它所管理的每個實體的信息表。操作系統(tǒng)構(gòu)造和維護它所管理的每個實體的信息表。MemoryDevicesFilesProcessesProcess 1Memory TablesProcessImageProcess1ProcessImageProcessnI/ O TablesFile TablesFigure 3.11 General Str

20、ucture of Operating System Control TablesPrimary Process TableProcess 2Process 3Process n進程表（進程表（PCB）進程控制塊進程控制塊 進程控制塊進程控制塊PCB(Process Control Block) 系統(tǒng)為每個進程定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為每個進程定義的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) PCB中記錄了操作系統(tǒng)所需的、用于描述進程的當(dāng)前中記錄了操作系統(tǒng)所需的、用于描述進程的當(dāng)前情況以及控制進程運行的全部信息。情況以及控制進程運行的全部信息。進程控制塊作用進程控制塊作用 作為獨立運行基本單位的標志作為獨立運行基本單位的標志

21、 PCB是進程存在的惟一標志。是進程存在的惟一標志。 能實現(xiàn)間斷性運行方式。能實現(xiàn)間斷性運行方式。 保存保存CPU現(xiàn)場信息現(xiàn)場信息 提供進程管理所需要的信息提供進程管理所需要的信息 程序或數(shù)據(jù)地址；源清單程序或數(shù)據(jù)地址；源清單 提供進程調(diào)度所需要的信息提供進程調(diào)度所需要的信息 實現(xiàn)與其他進程的同步和通信實現(xiàn)與其他進程的同步和通信進程控制塊中的信息進程控制塊中的信息 進程標識符進程標識符 處理機狀態(tài)處理機狀態(tài) 進程調(diào)度信息進程調(diào)度信息 進程控制信息進程控制信息1 1 進程控制塊進程控制塊進程標識符進程標識符 內(nèi)部標識符內(nèi)部標識符 一個惟一的一個惟一的數(shù)字數(shù)字標識符，它通常是一個進程的序號。標識符

22、，它通常是一個進程的序號。 外部標識符外部標識符 它由創(chuàng)建者提供，通常是由字母、數(shù)字組成，往往是它由創(chuàng)建者提供，通常是由字母、數(shù)字組成，往往是由由用戶用戶(進程進程)在訪問該進程時使用。在訪問該進程時使用。 為了描述進程的家族關(guān)系，還應(yīng)設(shè)置父進程標識及子為了描述進程的家族關(guān)系，還應(yīng)設(shè)置父進程標識及子進程標識。進程標識。 設(shè)置用戶標識，以指示擁有該進程的用戶。設(shè)置用戶標識，以指示擁有該進程的用戶。 2 2 進程控制塊進程控制塊處理機狀態(tài)處理機狀態(tài) 處理機狀態(tài)信息主要是由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成的處理機狀態(tài)信息主要是由處理機的各種寄存器中的內(nèi)容組成的 這些寄存器包括：這些寄存器包括： 通用寄

23、存器，它們是用戶程序可以訪問的，用于暫存信息；通用寄存器，它們是用戶程序可以訪問的，用于暫存信息； 指令計數(shù)器，其中存放了要訪問的下一條指令的地址指令計數(shù)器，其中存放了要訪問的下一條指令的地址 程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSW，含有狀態(tài)信息，如條件碼、執(zhí)行方式、中，含有狀態(tài)信息，如條件碼、執(zhí)行方式、中斷屏蔽標志等；斷屏蔽標志等； 用戶棧指針，指每個用戶進程都有一個或若干個與之相關(guān)的系用戶棧指針，指每個用戶進程都有一個或若干個與之相關(guān)的系統(tǒng)棧，用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址，棧指針指向統(tǒng)棧，用于存放過程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址，棧指針指向該棧的棧頂。該棧的棧頂。 3 3 進程控制塊進程控制塊進程

24、調(diào)度信息進程調(diào)度信息 在在PCB中還存放一些與進程調(diào)度和進程對換有關(guān)的信息，中還存放一些與進程調(diào)度和進程對換有關(guān)的信息，包括：包括： 進程狀態(tài)；進程狀態(tài)； 進程優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機；進程優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程應(yīng)優(yōu)先獲得處理機； 進程調(diào)度所需的其它信息，它們與所采用的進程調(diào)度算法進程調(diào)度所需的其它信息，它們與所采用的進程調(diào)度算法有關(guān)，比如，進程已等待有關(guān)，比如，進程已等待CPU的時間總和、進程已執(zhí)行的的時間總和、進程已執(zhí)行的時間總和等；時間總和等； 事件，指進程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事事件，指進程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。件，即阻塞原因

25、。 4 4 進程控制信息進程控制信息 程序和數(shù)據(jù)的地址，指進程的程序和數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存或外程序和數(shù)據(jù)的地址，指進程的程序和數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存或外存地存地(首首)址址 進程同步和通信機制，指實現(xiàn)進程同步和進程通信時必需進程同步和通信機制，指實現(xiàn)進程同步和進程通信時必需的機制；的機制； 資源清單，即一張列出了除資源清單，即一張列出了除CPU以外的、進程所需的全以外的、進程所需的全部資源及已經(jīng)分配到該進程的資源的清單；部資源及已經(jīng)分配到該進程的資源的清單； 鏈接指針，它給出了本進程鏈接指針，它給出了本進程(PCB)所在隊列中的下一個進所在隊列中的下一個進程的程的PCB的首地址。的首地址。進程控制塊的組織方式進程控制塊的組織方式 線性方式線性方式 線性表的首址存放在內(nèi)存的一個專線性表的首址存放在內(nèi)存的一個專用區(qū)域用區(qū)域 鏈接方式鏈接方式 索引方式索引方式PCBPCB表表 PC