操作系統(tǒng)原理-方敏-進(jìn)程與線程基本知識

進(jìn)程和線程基本知識操作系統(tǒng)課程組內(nèi)容安排進(jìn)程的基本概念進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程間的相互作用線程的基本概念2進(jìn)程的基本概念定義進(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；它是一個動態(tài)的實(shí)體，在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)設(shè)計中，進(jìn)程既是資源的基本分配單元，也是基本的執(zhí)行單元。進(jìn)程與程序的區(qū)別和聯(lián)系程序是靜態(tài)的，進(jìn)程是動態(tài)的。程序是有序代碼的集合；進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行。進(jìn)程是暫時的，程序的永久的。進(jìn)程是一個變化的過程，有生命周期，暫時存在，程序沒有生命周期，可長久保存。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)程與程序的對應(yīng)關(guān)系。通過多次執(zhí)行，一個程序可對應(yīng)多個進(jìn)程；通過調(diào)用關(guān)系，一個進(jìn)程可包括多個程序。進(jìn)程與程序的結(jié)構(gòu)不同。3進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的組成PCB

ProcessControlBlock

靈魂，進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。數(shù)據(jù)程序程序：描述了進(jìn)程要完成的功能，是進(jìn)程執(zhí)行時不可修改的部分。數(shù)據(jù)：進(jìn)程執(zhí)行時用到的數(shù)據(jù)（用戶輸入的數(shù)據(jù)、常量、靜態(tài)變量）。工作區(qū)

工作區(qū)：參數(shù)傳遞、系統(tǒng)調(diào)用時使用的動態(tài)區(qū)域（堆棧區(qū)）。實(shí)體4進(jìn)程的基本概念進(jìn)程/線程的執(zhí)行運(yùn)行Running被調(diào)度時間片用完，中斷資源釋放或事件完成阻塞Blocked等待資源和事件進(jìn)程占有處理機(jī)，處理機(jī)正在執(zhí)行該進(jìn)程的程序。進(jìn)程已獲得除處理機(jī)外的所需資源，等待分配處理機(jī)執(zhí)行。也叫等待、掛起、睡眠態(tài)，此時進(jìn)程因等待某種條件（如I/O操作或進(jìn)程同步）無法運(yùn)行。引起進(jìn)程阻塞的原因很多，系統(tǒng)將根據(jù)不同的阻塞原因?qū)⑦M(jìn)程插入某個相應(yīng)的阻塞隊(duì)列中。就緒Ready5進(jìn)程的基本概念運(yùn)行就緒阻塞被調(diào)度時間片用完，中斷資源釋放或事件完成等待資源和事件新建創(chuàng)建完畢結(jié)束結(jié)束執(zhí)行五種進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換6進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的特征并發(fā)性：執(zhí)行時間可以重疊；動態(tài)性：有生命周期，存在不同的狀態(tài)；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；制約性：雖然獨(dú)立執(zhí)行，但可能存在相互制約關(guān)系；異步性：各進(jìn)程執(zhí)行時間相對獨(dú)立，不確定；結(jié)構(gòu)性：擁有固定結(jié)構(gòu)。7進(jìn)程調(diào)度定義就是按照一定的算法，從就緒隊(duì)列中選擇某個進(jìn)程占用CPU的方法——對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)程公平得到處理機(jī)資源。進(jìn)程調(diào)度算法先來先服務(wù)調(diào)度算法(FCFS,FirstComeFirstServed)PCBPCBPCBPCB就緒隊(duì)列CPU8進(jìn)程調(diào)度基于優(yōu)先數(shù)的調(diào)度算法(PrioritySchedulingAlgorithm)思想：給每一個進(jìn)程設(shè)置一個優(yōu)先數(shù)(優(yōu)先級)，系統(tǒng)在調(diào)度時優(yōu)先選擇具有高優(yōu)先級的進(jìn)程占用CPU。具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程按照FCFS算法執(zhí)行。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)行時間的長短，緊急程度，重要程度等因素確定。運(yùn)行中：靜態(tài)優(yōu)先數(shù)法：進(jìn)程創(chuàng)建時就規(guī)定好它的優(yōu)先數(shù)，這個數(shù)值在進(jìn)程運(yùn)行時不變。動態(tài)優(yōu)先數(shù)法：進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)在執(zhí)行過程中可以根據(jù)情況變化而改變。9進(jìn)程調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)法(RR,RoundRobin)特點(diǎn)：專門為分時系統(tǒng)設(shè)計。類似于FCFS算法但是增加了搶占及進(jìn)程間的切換功能。思想：系統(tǒng)規(guī)定一個時間長度(時間片/時間量)作為允許一個進(jìn)程運(yùn)行的時間，如果在這段時間該進(jìn)程沒有執(zhí)行完，則必須讓出CPU等待下一次分配的時間片。PCBPCBPCBPCBCPU就緒隊(duì)列時間片用完執(zhí)行10進(jìn)程調(diào)度多級反饋隊(duì)列調(diào)度算法(MultilevelFeedbackQueueScheduling)思想：引入多個就緒隊(duì)列，通過對各隊(duì)列的區(qū)別對待，達(dá)到一個綜合的調(diào)度目標(biāo)。CPU降低進(jìn)程優(yōu)先級完成PCBPCBPCBPCB最高優(yōu)先級隊(duì)列PCBPCBPCBPCB次高優(yōu)先級隊(duì)列PCBPCBPCBPCB低優(yōu)先級隊(duì)列執(zhí)行時間遞增11進(jìn)程間的相互作用同步進(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。簡單說來就是：多個相關(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。臨界資源也稱獨(dú)占資源，是指在一段時間內(nèi)只允許一個進(jìn)程訪問的資源。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?；コ舛x：當(dāng)多個進(jìn)程因?yàn)闋帄Z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。12進(jìn)程間的相互作用互斥解決方案關(guān)中斷法(開關(guān)中斷指令)也稱為“硬件鎖”，是實(shí)現(xiàn)互斥最簡單的方法。做法：每個進(jìn)程在進(jìn)入臨界區(qū)后先關(guān)中斷，屏蔽其它請求，在離開之前再開中斷。鎖變量法(測試和設(shè)置指令)做法：設(shè)置一個共享(鎖)變量W，初值為0。當(dāng)一個進(jìn)程想進(jìn)入其臨界區(qū)時，它首先測試這把鎖。如果鎖的值為0，則進(jìn)程將其置為1并進(jìn)入臨界區(qū)。若鎖已經(jīng)為1，則進(jìn)程等待直到其變成0。于是，0就表示臨界區(qū)內(nèi)沒有進(jìn)程，1表示已經(jīng)有某個進(jìn)程進(jìn)入了臨界區(qū)。其它方法Dekker算法：進(jìn)程被強(qiáng)制輪流進(jìn)入臨界區(qū)(不管是否愿意)。Peterson算法：設(shè)置標(biāo)識指示是否又要求進(jìn)入臨界區(qū)。 ……13進(jìn)程間的相互作用信號量(Semaphore)和P、V操作信號量：1965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)。功能：表示資源的實(shí)體。特殊之處：每個信號量與一個隊(duì)列關(guān)聯(lián)；其值只能通過初始化和P、V操作來訪問。 信號量的類型：公用信號量：用于進(jìn)程間的互斥，初值通常為1私有信號量：用于進(jìn)程間的同步，初值通常為0或n14進(jìn)程間的相互作用P、V操作(均是原語)P操作：荷蘭語“proberen”——“檢測”之意。 意味著請求分配一個單位資源。P(S)：//S為信號量{S=S-1;if(S<0){調(diào)用進(jìn)程被阻塞，進(jìn)入S的等待隊(duì)列；}}PCBPCBPCBPCB和S相關(guān)的等待隊(duì)列PCB15進(jìn)程間的相互作用V操作：荷蘭語“verhogen”——“增量”之意， 意味著釋放一個單位資源。V(S)：//S為信號量{S=S+1;if(S<=0){從S的等待隊(duì)列中喚醒一個進(jìn)程使其進(jìn)入就緒狀態(tài)；}}PCBPCBPCBPCB和S相關(guān)的等待隊(duì)列PCB16進(jìn)程間的相互作用信號量及P、V操作的應(yīng)用進(jìn)程的互斥semaphore

S;//設(shè)置公有信號量S=1;//初值{…

P(S);

printfile1;V(S);…}{…

P(S);

printfile2;V(S);…}17進(jìn)程間的相互作用進(jìn)程的同步——生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題

問題描述：生產(chǎn)者緩沖區(qū)消費(fèi)者{cooking;

P(S1);putindish;

V(S2);}semaphoreS1,S2

;//設(shè)置私有信號量S1=1;//表示盤子是否空S2=0;//表示盤子里是否有東西{P(S2);takeoutfromdish;

V(S1);eating;}18線程的基本概念定義線程(thread)也叫輕型進(jìn)程，是一個可執(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。線程和進(jìn)程的關(guān)系多線程模型1、線程是進(jìn)程的一個組成部分，線程由進(jìn)程創(chuàng)建，因此一個進(jìn)程中至少存在一個線程，線程還可以創(chuàng)建其它線程。2、進(jìn)程是資源分配和保護(hù)的基本單位，線程只能在進(jìn)程的地址空間活動，線程只能使用其所在進(jìn)程的資源。19線程的基本概念線程的結(jié)構(gòu)PCB程序數(shù)據(jù)進(jìn)程地址空間TCB棧線程1TCB棧線程2TCB棧線程3線程的特點(diǎn)：1、線程作為基本的調(diào)度單位，其狀態(tài)有：就緒、運(yùn)行、阻塞等；2、進(jìn)程中都所有線程共享進(jìn)程的存儲空間和分配資源。工作區(qū)20線程的基本概念線程優(yōu)勢創(chuàng)建和撤消線程的開銷非常小。不需要向系統(tǒng)請求獨(dú)立的地址空間及進(jìn)行相關(guān)的地址空間復(fù)制(例如父子進(jìn)程)，因此創(chuàng)建和撤銷線程系統(tǒng)的開銷要遠(yuǎn)小于進(jìn)程。切換迅速。線程的上下文環(huán)境要比進(jìn)程簡