操作系统第4章-进程及进程管理分析课件.ppt
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- 操作系统 进程 管理 分析 课件
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1、进程及进程管理进程及进程管理1进程及进程管理进程及进程管理主要内容主要内容进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入2程序的一次执行过程称为一个计算,它由许多简单操作程序的一次执行过程称为一个计算,它由许多简单操作 所组成。所组成。一个计算的若干操作必须按照严格的先后次序顺序地执一个计算的若干操作必须按照严格的先后次序顺序地执 行,这类计算过程就是程序的顺序执行过程。行,这类计算过程就是程序的顺序执行过程。进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入3 单道系统的工作情况单道系统的工作情况 对用户作业的处理对用户作业的处理 首先输入用户的程序和数据;然后进行计算;最后打印计 算结果,
2、即有三个顺序执行的操作。I:输入操作 C:计算操作 P:输出操作 P2 C2 I2 P1 C1 I1作业作业1作业作业2单用户系统中操作的先后次序图进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入4 顺序程序的特点顺序程序的特点顺序性顺序性处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行。封闭性封闭性程序一旦开始执行,其计算结果不受外界因素的影响。可再现性可再现性程序执行的结果与它的执行速度无关(即与时间无关),而只与初始条件有关。进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入5 I1 I2 I3 I4C1C3C2P1P2 哪些程序段的执行必须是顺 序的?为什么?哪些程序段的执行是并行 的?为什么?
3、多用户系统中操作的先后次序图对对n个用户作业的处理个用户作业的处理 作业1:I1 C1 P1 作业2:I2 C2 P2 作业n:In Cn Pn进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入6 定义定义 若干个程序段同时在系统中运行,这些程序段的执行在时间上是重叠 的,一个程序段的执行尚未结束,另一个程序段的执行已经开始,即 使这种重叠是很小的一部分,也称这几个程序段是并发执行的。三个并发执行的程序段三个并发执行的程序段 并行语句记号并行语句记号 cobegin S1;S2;Sn;coendPQR三个并发进程进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入7 失去程序的封闭性和可再现性失去程
4、序的封闭性和可再现性 若一个程序的执行可以改变另一个程序的变量,那么,后 者的输出就可能有赖于各程序执行的相对速度,即失去了 程序的封闭性特点。例:例:讨论共享公共变量的两个程 序,执行时可能产生的不同 结果。程序A执行时对n做加 1的操作;程序B打印出n值,并将它重新置为零。程序程序A n:=n+1;程序程序B print(n);n:=0;共享变量的两个程序进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入8 失去程序的封闭性和可再现性的讨论失去程序的封闭性和可再现性的讨论程序程序A的的n:=n+1与与程序程序B的两个语句的两个语句的关系的关系 n的赋值的赋值 打印的结果打印的结果 n的最终赋
5、值的最终赋值 之前之前 10 11 0 之后之后 10 10 1 之间之间 10 10 0 程序程序A n:=n+1;程序程序B print(n);n:=0;共享变量的两个程序进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入9 程序与计算不再一一对应程序与计算不再一一对应一个程序可以对应多个计算。例例1:I1 输入程序段输入程序段 I2 In例例2:编译编译1C编译程序编译程序 编译编译2 编译编译n 程序并发执行的相互制约程序并发执行的相互制约间接的相互制约关系间接的相互制约关系 资源共享资源共享直接的相互制约关系直接的相互制约关系 公共变量公共变量一个程序对应多个计算的例子进程及进程管理进
6、程及进程管理进程的引入进程的引入10 程序并发执行时,若共享了公共变量,其执行结果与各并发 程序的相对速度有关,即给定相同的初始条件,若不加以控 制,也可能得到不同的结果,此为与时间有关的错误。进程及进程管理进程及进程管理进程的引入进程的引入进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念11 进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念所谓进程,就是一个程序在给定活动空间和初始环境下,在一个处理机上的执行过程。程序是静态的概念,进程是动态的概念;程序是静态的概念,进程是动态的概念;进程是一个独立运行的活动单位;进程是一个独立运行的活动单位;进程是竞争系统资源的基本单位;进程是竞争系统资源的基本单
7、位;一个程序可以对应多个进程,一个进程至少包含一个程序。一个程序可以对应多个进程,一个进程至少包含一个程序。12 等待状态等待状态(wait)进程正等待着某一事件的发生而暂时停止执行。这时,即使给它CPU控制权,它也无法执行。就绪状态就绪状态(ready)进程已获得除CPU之外的运行所必需的资源,一旦得到 CPU控制权,立即可以运行。运行状态运行状态(running)该进程已获得运行所必需的资源,它的程序正在处理机上 执行。进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念13 进程状态可能的变迁进程状态可能的变迁 运运 行行服务请求服务请求(请求请求I/O等等)服务完成服务完成/事件来到事件来到进
8、程调度进程调度时间片到时间片到 等等 待待 就就 绪绪个别系统提供个别系统提供进程状态变迁图进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念14 具有进程基本状态的变迁图具有进程基本状态的变迁图 运运 行行服务请求服务请求(请求请求I/O等等)服务完成服务完成/事件来到事件来到进程调度进程调度 等等 待待 就就 绪绪进程状态变迁图进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念15 讨论进程状态的变迁讨论进程状态的变迁 运运 行行1234 等等 待待 就就 绪绪变迁变迁1 变迁变迁3,是否会发生?需要什么条件?,是否会发生?需要什么条件?变迁变迁4 变迁变迁3,是否会发生?需要什么条件?是否会发生?需
9、要什么条件?进程状态变迁的讨论进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念16 例例1:讨论:讨论3个排序程序在不同的操作系统环境中执行结果个排序程序在不同的操作系统环境中执行结果 程序程序A:冒泡排序算法,在屏幕的左1/3处开设窗口显示其 排序过程;程序程序B:堆排序算法,在屏幕的中1/3处开设窗口显示其排 序过程;程序程序C:快速排序算法,在屏幕的右1/3处开设窗口显示其 排序过程。讨论讨论在不支持多进程的操作系统下运行和在支持多进程的在不支持多进程的操作系统下运行和在支持多进程的 操作系统下运行的情况操作系统下运行的情况 进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念17在不支持多进程的操
10、作系统下运行在不支持多进程的操作系统下运行 依次运行程序A、程序B、程序C。在支持多进程的操作系统下运行在支持多进程的操作系统下运行建立进程A、B、C;对应的程序分别是程序A、B、C;若系统采用时间片轮转的调度策略,则在屏幕上有3个窗口,同时显示3个排序过程。实际上这3个程序在轮流地占用CPU时间,由于CPU的高速度,使我们看到的是这3个程序在同时执行。进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念18 例例2:讨论:讨论2个程序在不同的操作系统环境中执行结果个程序在不同的操作系统环境中执行结果 程序C:打印工资报表的程序;程序D:计算1000以内所有素数并显示最后结果。讨论在不支持多进程的操作
11、系统下运行和在支持多进程讨论在不支持多进程的操作系统下运行和在支持多进程 的操作系统下运行。的操作系统下运行。进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念19在不支持多进程的操作系统下运行在不支持多进程的操作系统下运行 依次运行程序C、程序D,可以看到,先是打印机不停 地打印工资报表,打完后,接着运行程序C,不停地计 算,最后显示所计算的结果。在支持多进程的操作系统下运行在支持多进程的操作系统下运行建立进程C、D;对应的程序分别是程序C、D;由于进程C是I/O量较大的进程,而进程D是计算量较大的进程,故在系统进程调度的控制下,两个进程并发执行。可以看到打印机不断打印工资报表;而处理机不停地计算
12、,最后屏幕显示计算的结果。进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念20描述进程与其他进程、系统资源的关系以及进程在各个不 同时期所处的状态的数据结构,称为进程控制块 PCB(process control block)。进程进程控制块控制块PCB程序程序与与数据数据 程序与数据程序与数据 描述进程本身所应完成的功能 PCB 进程的动态特征,该进程与其他进程和系统资源的关系。进程组成的示意图进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念 进程标识符进程标识符 进程符号名或内部 id号 进程当前状态进程当前状态 本进程目前处于何种状态21wait_lpt_q_startPCB3PCB7 next
13、打印机等待队列结构打印机等待队列结构runningPCB4 next运行指针运行指针ready_q_start PCB1PCB2PCB9就绪队列结构就绪队列结构next进程队列结构示例进程及进程管理进程及进程管理进程概念进程概念22 当前队列指针当前队列指针next 该项登记了处于同一状态的下一个进程的 PCB地址。进程优先级进程优先级 反映了进程要求CPU的紧迫程度。CPU现场保护区现场保护区 当进程由于某种原因释放处理机时,CPU现场信息被保存 在PCB的该区域中。通信信息通信信息 进程间进行通信时所记录的有关信息。家族联系家族联系 指明本进程与家族的联系 占有资源清单占有资源清单 进程及
14、进程管理进程及进程管理进程概念进程概念进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制23对系统中的进程实施有效的管理,负责进程状态的改变。进程状态变化进程状态变化进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制创建撤销无无有有消亡消亡等待运行运行等待等待唤醒就绪就绪等待等待 常用的进程控制原语常用的进程控制原语创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语24 进程创建原语的形式进程创建原语的形式 create(name,priority)name为被创建进程的标识符priority为进程优先级 进程创建原语的功能进程创建原语的功能 创建一个具有指定标识符的进程,建立进
15、程的PCB结构。进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制25PCB池池 进程创建原语的实现进程创建原语的实现 ab 1 进程创建原语的实现框图进程创建原语的实现框图入口入口 查查PCB总链总链有同名有同名?向系统申请一个向系统申请一个空的空的PCB 结构结构有空有空PCB?将入口信息填入将入口信息填入PCB相应项相应项 将将PCB入就绪队列入就绪队列 将将PCB入总链队列入总链队列返回进返回进程程pid出错出错YN出错出错PCB池示意图进程创建原语流程图进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制26 进程撤销原语的形式进程撤销原语的形式 当进程完成任务后希望终止自己时使用进程撤消原语。K
16、ill(或exit)进程撤销原语的功能进程撤销原语的功能 撤消当前运行的进程。将该进程的PCB结构归还到PCB资 源池,所占用的资源归还给父进程,从总链队列中摘除 它,然后转进程调度程序。进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制27 进程撤销原语的实现进程撤销原语的实现 入口入口由运行指针得当前进程的由运行指针得当前进程的pid释放本进程所占用的资源给父进程释放本进程所占用的资源给父进程该进程从总链队列中摘下该进程从总链队列中摘下释放释放PCB结构结构转进程调度转进程调度进程撤销原语流程图进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制28 进程等待原语的形式进程等待原语的形式 当进程需要等待
17、某一事件完成时,它可以调用等待原语挂 起自己。susp(chan)入口参数chan:进程等待的原因 进程等待原语的功能进程等待原语的功能 中止调用进程的执行,并加入到等待chan的等待队列中;最后使控制转向进程调度。进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制29 进程等待原语的实现进程等待原语的实现 入口入口保护进程的保护进程的CPU现场到现场到PCB结构中结构中置该进程为置该进程为”等待等待”状态状态将该进程将该进程PCB结构插入到等待结构插入到等待队列中队列中转进程调度转进程调度进程等待原语流程图进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制30 进程唤醒原语的形式进程唤醒原语的形式 当处
18、于等待状态的进程所期待的事件来到时,由发现者进 程使用唤醒原语叫唤醒它。wakeup(chan)入口参数chan:进程等待的原因。进程唤醒原语的功能进程唤醒原语的功能 当进程等待的事件发生时,唤醒等待该事件的进程。进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制31 进程唤醒原语的实现进程唤醒原语的实现 入口入口找到该等待队列找到该等待队列将队列首进程移出此等待队列将队列首进程移出此等待队列将该进程置将该进程置为为”就绪就绪”状态,状态,并将并将PCB结构插入到就绪结构插入到就绪队列中队列中返回返回进程唤醒原语流程图进程及进程管理进程及进程管理进程控制进程控制进程及进程管理进程及进程管理进程之间的
19、相互制约关系进程之间的相互制约关系32 例例1:两个进程两个进程A、B共享一台打印机共享一台打印机 设:x代表某航班机座号,p1和p2两个售票进程,售票工 作是对变量x加1。这两个进程在一个处理机C上并发执 行,分别具有内部寄存器r1和r2。进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系33 例例2:两个进程共享一个变量:两个进程共享一个变量x 两个进程共享一个变量两个进程共享一个变量x时,两种可能的执行次序:时,两种可能的执行次序:A:p1:r1:=x;r1:=r1+1;x:=r1;p2:r2:=x;r2:=r2+1;x:=r2;设设x的初值为的初值为10,两种情况
20、下的执行结果:,两种情况下的执行结果:情况情况A:x=10+2 情况情况B:x=10+1 B:p1:r1:=x;r1:=r1+1;x:=r1;p2:r2:=x;r2:=r2+1;x:=r2;进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系34 临界区是进程中对公共变量(或存储区)进行审查与修改的 程序段,称为相对于该公共变量的临界区。临界资源的定义临界资源的定义 一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。硬件:如输入机、打印机、磁带机等 软件:如公用变量、数据、表格、队列等 x:=x+1;csa 进程进程A进程进程B x:=x+
21、1;csb 进程临界区示意图进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系35 在操作系统中,当某一进程正在访问某一存储区域时,就 不允许其他进程来读出或者修改存储区的内容,否则,就 会发生后果无法估计的错误。进程间的这种相互制约关系 称为互斥。x:=x+1;csa 进程进程A进程进程B x:=x+1;csb 进程临界区示意图进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系36 并发进程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息,这种相互制约的等待与互通消息称为进程同步。病员就诊病员就诊 看病活动:看病活动:要病人去要病人去化验;化验;等等化验结
22、果;化验结果;继续诊病;继续诊病;化验活动:化验活动:需要进行化验需要进行化验?进行进行化验;化验;开出化验结果;开出化验结果;进程同步活动示意图进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系37 共享缓冲区的计算进程与打印进程的同步共享缓冲区的计算进程与打印进程的同步 计算进程 cp和打印进程 iop公用一个单缓冲 缓冲区缓冲区bufiop cpABCDABCD两个进程共享一个缓冲区示意图进程及进程管理进程及进程管理进程之间的相互制约关系进程之间的相互制约关系进程及进程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构38 用变量w代表某种资源的状态,w称为“锁”。进程及进
23、程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构检测w的值(是0还是1);如果w的值为1,继续检测;如果w的值为0,将锁位置1(表示占用资源),进入临界区执行。(此为上锁操作此为上锁操作)临界资源使用完毕,将锁位置0。(此为开锁操作此为开锁操作)39 1W 进入临界区进入临界区csa 0W进程进程AW=0?=0 1W 进入临界区进入临界区csb 0W进程进程BW=0?=0两个进程使用临界资源的操作进程及进程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构40 上锁原语上锁原语算法 lock 输入:锁变量w 输出:无 test:if(w为1)goto test;*测试锁位的值*else w=1;*上锁*开
24、锁原语开锁原语算法 unlock 输入:锁变量w 输出:无 w=0;*开锁*进程及进程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构41 信号灯是一个确定的二元组(s,q),s是一个具有非负初值 的整型变量,q是一个初始状态为空的队列。操作系统利 用信号灯的状态对并发进程和共享资源进行控制和管理。信号灯是整型变量。信号灯是整型变量。变量值变量值 0 时,表示绿灯,进程执行;时,表示绿灯,进程执行;变量值变量值 0 时,表示红灯,进程停止执行。时,表示红灯,进程停止执行。注意:创建信号灯时,应准确说明信号灯注意:创建信号灯时,应准确说明信号灯 s 的意义和初值的意义和初值 (这个初值绝不能为负值这个
25、初值绝不能为负值)。进程及进程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构42 P 操作的定义操作的定义 对信号灯s的 p操作记为 p(s)。p(s)是一个不可分割的原语操作,即取 信号灯值减1,若相减结果为负,则调用p(s)的进程被阻,并插入到 该信号灯的等待队列中,否则可以继续执行。P 操作的实现操作的实现 入入 口口 S-1 S S0?转进程调度转进程调度返回返回 入信号灯等待队列入信号灯等待队列 置置“等待状态等待状态”00 0 0P 操作原语流程图进程及进程管理进程及进程管理进程同步机构进程同步机构43 V 操作的定义操作的定义 对信号灯s的 v操作记为 v(s)。v(s)是一个不可分
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