孙钟秀操作系统第二章处理机管理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,*,操作系统的基本是并发与共享，这就会引起一系列的问题，包括：对资源的竞争、运行程序之间的通信、程序之间的合作与协同等。,要解决这些问题，用程序的概念已经不能描述程序在内存中运行的状态，必须引人新的概念,进程,。,2.3,进程及其实现,1,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,计算机出现以来，“程序”是使用广泛的一个概念，在多道程序设计技术出现之前，程序是顺序执行的。,1.,程序的顺序执行,例：,在系统中有,n,个作业，每个作业都有三个处理步骤：首先输入用户的程序和数据（,I,i,），然后进行计算（,C,i,），最后将结果打印出来（,P,i,）。,在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独占系统中所有资源，其执行不受外界影响。一道程序执行完后另一道才能开始。,一、进程的概念,2,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,程序顺序执行的特点,顺序性：,处理机严格按照程序所规定的顺序执行，即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。,封闭性：,程序一旦开始执行，其计算结果不受外界的影响，因为一道程序独占系统资源，所以当程序的初始条件给定之后，其后的状态只能由程序本身确定，即只有本程序才能改变它。,可再现性：,程序的结果与它的执行速度无关（即与时间无关），,即只要程序的初始条件相同，它的执行结果是相同的，不论它在什么时间执行，也不管计算机的运行速度。,3,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,2.,程序的并发执行,为增强系统处理能力和提高资源利用率，现代操作系统普遍采用多道程序设计技术，多道程序设计技术一个重要特点就是程序并发执行。,例：在系统中有,n,个作业，每个作业都有三个处理步骤，输入数据、处理、输出。有些操作必须在其它操作之前执行，这是有序的，但有些操作是可以同时执行的。,4,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,I1,、,C1,、,P1,的执行必须严格按照顺序，而,P1,与,I2,，,C1,与,I2,I3,与,P1,是可以同时执行的。,5,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,1,）程序的并发执行：,是指若干个程序同时在系统中执行，这些程序的,执行在时间上是重叠的，一个程序的执行尚未,结束，另一个程序的执行已经开始，,即使这种重迭是很小的，也称这几个程序是并发执行的。,并发与并行概念的区别？,Concurrency，parallel,6,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,2,）程序并发执行的描述,cobegin,S,1,;S,2,;S,3,;.;S,N,coend;,S,i,(i=1,2,3,.,n),表示,n,个语句（程序段），这,n,个语句用,cobegin,和,coend,括起来表示这,n,个语句是可以并发执行的。,co,是,concurrent,的头两个字符。,这是,Dijkstra,提出的。,7,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,例：有一个程序由,S0,Sn+1,个语句，,其中,S1,Sn,语句是并发执行的，程序如下：,S0;,cobegin,S1;S2;S3;.;SN,coend;,Sn+1;,8,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,3,）程序并发执行的特点,间断性：,程序并发执行时，共享资源，致使它们之间相互制约，导致并发程序执行过程“走走停停”，具有“执行,-,暂停,-,执行”这种间断性的活动规律。,失去封闭性：,多个程序并发执行，共享系统资源，因而资源的状态由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。这样，某程序执行时，必然受其他程序影响。,不可再现性：,9,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,例：两个程序,A,和,B,，共享一个变量,N,（初值为,1,）。,程序,A,：,N+,；,程序,B,：,P,（,N,）；,N=0,；,程序,A,和,B,并发执行。,可能出现下述三种情况：,N,值,（,1,）,N+,；,P,（,N,）；,N=0,； （,2,，,2,，,0,）,（,2,）,P,（,N,）；,N=0,；,N+,； （,1,，,0,，,1,）,（,3,）,P,（,N,）；,N+,；,N=0,； （,1,，,2,，,0,）,10,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,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。为对并发执行的程序加以描述和控制，现代操作系统引入了进程的概念。,11,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,3.,进程的概念,进程的概念是60年代初首先由麻省理工学院的,MULTICS,系统和,IBM,公司的,TSS/360,系统提出和实现的。,进程是操作系统中最基本、最重要的概念之一，它对理解、描述和设计操作系统都具有非常重要的意义。,12,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,1,）进程的定义,进程有很多各式各样的定义，如：,程序在处理机上执行时所发生的活动称为进程（,Dijkstra）,一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。,进程是一个程序与其数据在处理机上执行时所发生的活动，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。,本书将进程定义为：,进程是可并发执行的程序在某个数据集合上的一次计算活动，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。,13,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,2,） 进程与程序的联系与区别,程序,是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含义，是一个,静态,的概念。而,进程,是程序在处理机上的一次执行过程，它是一个,动态,的概念。,程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有一定生命期的。,程序是永久的，进程是暂时的,。,注：程序可看作一个菜谱，而进程则是按照菜谱进行烹调的过程。,进程和程序,组成不同,：进程是由程序、数据和进程控制块三部分组成的。,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。,例子：光盘（程序） 放光盘的活动（进程）,14,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,3,）进程的特征,动态性：,进程是程序的执行，同时进程有生命周期。,并发性：,多个进程可同存于内存中，能在一段时间内同时执行。,独立性：,资源分配和调度的基本单位。,制约性：,并发进程间存在制约关系，造成程序执行速度不可预测性，必须对进程的并发执行次序、相对执行速度加以协调。,结构特征：,进程由程序块 、数据块、进程控制块三部分组成。,15,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,二、,进程的状态及转换,1.,进程的三种基本状态,进程在系统中的活动规律：,进程的三种基本状态：,运行态,就绪态,等待态（又称阻塞态）,执行 暂停 执行,16,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,2,）就绪状态,(ready),当一个进程已经准备就绪，一旦得到,CPU,，就可立即运行，这时进程所处的状态称为就绪状态。系统中有一个就绪进程队列，处于就绪状态进程按某种调度策略存在于该队列中。,（,1,）运行态,(running),当进程得到处理机，其执行程序正在处理机上运行时的状态称为运行状态。,在单,CPU,系统中，任何时刻最多只有一个进程处于运行状态。在多,CPU,系统中，处于运行状态的进程数最多为处理机的数目。,万事具备，只欠,CPU,17,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,(3),等待态（阻塞态）（,Wait / Blocked ）,若一个进程正等待着某一事件发生,(,如等待输入输出操作的完成,),而暂时停止执行的状态称为等待状态。,处于等待状态的进程不具备运行的条件，即使给它,CPU,，也无法执行。系统中有几个等待进程队列（按等待的事件组成相应的等待队列）。,18,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,进程在执行过程中，任一时刻必然处于上述三种状态之一，进程在执行过程中其状态将发生变化。,运行态,就绪态,等待态,选中,落选,出现等待事件,等待事件结束,19,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,运行,等待,：等待某事件的发生（如等待,I/O,完成）,等待,就绪：事件已经发生（如,I/O,完成）,运行,就绪：时间片到（例如，两节课时间到，下课）或出现更高优先级进程，当前进程被迫让出处理器。,就绪,运行,：当处理机空闭时，由调度（分派）程序从就绪进程队列中选择一个进程占用,CPU,。,上述三种状态是进程最基本的状态，在实际的操作系统实现中，进程远不止这三种状态。,20,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,2.,进程五态模型及其转换,运行态,就绪态,等待态,选中,落选,出现等待,事件,等待事件,结束,新建态,终止态,21,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,进程为什么要有“挂起”状态,?,由于系统不断创建进程，系统资源特别是主存已不能满足进程运行要求，此时必须将某些进程挂起（,suspend,），置于磁盘对换区，释放其所占资源，暂时不启用低级调度，起到平滑负载的目的。,3.,具有挂起功能的进程状态及其转换,22,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,挂起,等待事件结束,出现等待事件,解除挂起,挂起,落选,选中,运行态,就绪态,等待事件结束,终止态,新建态,挂起就,绪态,解除挂起,挂起,挂起等,待态,等待态,提交,提交,23,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,三、,进程的描述和组成,1.,进程映象,进程内容及其状态集合称为进程映像。包括：,进程控制块：,每个进程有一进程控制块，用来存储进程的标识信息、现场信息和控制信息。,程序块：,核心栈：,每个进程捆绑一个核心栈，进程在核心态工作时，用来保存中断,/,异常现场等。,数据块：,存放程序私有数据，用户栈也在数据块中开辟。,24,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,2.,进程上下文,操作系统中把进程物理实体和支持进程运行的环境合称为进程上下文。,进程在其当前上下文中运行，当系统调度新进程占有处理器时，新老进程随之发生上下文切换。即保存老进程状态而装入被保护了的新进程的状态，以便新进程运行,.,25,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,进程上下文组成,用户级上下文：,由正文（程序）、数据、共享存储区、用户栈组成，占用进程的虚地址空间。,存器上下文：,由程序状态字寄存器、指令计数器、栈指针、控制寄存器、通用寄存器等组成。,系统级上下文：,由进程控制块、主存管理信息（页表或段表）、核心栈等组成。,26,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,3.,进程控制块,（,Process Control Block,，,PCB,）,每个进程,有且仅有一个,进程控制块,PCB,是操作系统用于记录和刻划进程状态及有关信息的数据结构，是操作系统掌握进程的唯一资料结构。,系统利用,PCB,来控制和管理进程，所以,PCB,是系统,感知进程存在的唯一标志,进程与,PCB,是一一对应的,在创建进程时，建立,PCB,，并伴随进程运行的全过程，直到进程撤消而撤消。,PCB,就象我们的户口。,27,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,PCB,的内容,标识信息,进程标识,ID,：唯一，通常是一个整数,进程组标识,ID,用户进程名,用户组名,现场信息,寄存器内容（通用寄存器内容、控制寄存器内容、栈指针等）,控制信息,进程调度信息：,如进程状态、等待时间、等待原因、进程优先级、队列指针等,进程组成信息：,如正文段指针、数据段指针、进程族系信息,进程间通信信息：,如消息队列指针、所使用的信号量和锁,进程段、页表指针、进程映像在辅存地址,CPU,的占用和使用信息：,如时间片剩余量、已占用,CPU,时间、已执行时间总和、定时器信息、记账信息,进程特权信息：,如主存访问权限、处理器特权,资源清单：,所需全部资源、已分得资源,28,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,4.,进程队列及其管理,处于同一状态的所有,PCB,组织在一起的数据结构称为进程队列。例如运行队列、就绪队列、等待队列。,同一状态进程的,PCB,既可按先来先到的原则排成队列,;,也可按优先数或其它原则排成队列。,通用队列组织方式：,线性方式,链接方式,索引方式,29,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,1,）线性方式,OS,根据进程的最大数目，静态分配主存中某块空间，所有进程的,PCB,都组织在一个线性表中。,优点：简单易行；,缺点：限定了系统中进程最大数，,经常要扫描整个线性表，调度效率较低。,30,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,2,）链接方式,相同状态的进程,PCB,通过链接指针链接成一个队列。,不同状态的进程可排成不同的队列，如运行队列、就绪队列、等待队列。等待队列按等待原因不同可排成多个等待队列。,PCB,表,PCB1 0,PCB2 5,PCB3 0,PCB4 0,PCB5 0,PCB6 4,运行队列指针,就绪队列指针,等待队列,1,指针,等待队列,2,指针,PCBn 7,PCB7 0,空闲进程队列指针,31,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,（,3,）索引方式,对具有相同状态的进程，分别设置各自的,PCB,索引表，如就绪索引表、等待索引表，记录,PCB,在,PCB,表中的地址,.,运行队列指针,就绪表指针,等待表,1,指针,PCB,表,PCB1,PCB2,PCB3,PCB4,PCB5,PCB6,PCBn,空闲表指针,就绪索引表,等待索引表,1,等待表,2,指针,32,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,四、进程切换,一个进程让出处理器，由另一个进程占用处理器的过程称为进程切换。,进程的切换使系统中的各进程均有机会占用,CPU,。,33,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,进程切换的步骤,保存被中断进程的处理器现场信息,修改被中断进程的进程控制块的有关信息，如进程状态等,把被中断进程的进程控制块加入有关队列,选择下一个占有处理器运行的进程,修改被选中进程的进程控制块的有关信息,根据被选中进程设置操作系统用到的地址转换和存储保护信息,根据被选中进程恢复处理器现场,34,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,五、进程的控制和管理,进程是有生命周期的：产生、运行、暂停、终止。进程生命周期的动态变化过程由进程管理程序来控制。,进程的控制和管理包括：,进程创建,进程撤消,进程阻塞,进程唤醒,进程挂起,进程激活,35,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,这些控制和管理功能由操作系统中的原语实现。,原语是在核心态执行、完成系统特定功能的不可分割的过程。,原语的特点是执行过程中不允许被中断，是一个不可分割的基本单位，原语的执行是顺序的而不可能是并发的。,36,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,1.,进程创建,进程创建类似于人出生后要到派出所报户口。,进程创建过程：,（,1,）在进程列表中增加一项，从,PCB,池中申请一个空闲,PCB,，为新进程分配惟一的进程标识符；,（,2,）为新进程的进程映像分配地址空间。进程管理程序确定加载到进程地址空间中的程序；,（,3,）为新进程分配除主存空间外的其他各种所需资源；,（,4,）初始化,PCB,，如进程标识符、处理器初始状态、进程优先级等；,（,5,）把新进程状态置为就绪态，并移入就绪进程队列；,（,6,）通知操作系统的某些模块，如记账程序、性能监控程序。,37,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,2.,进程撤销,进程完成其任务或出现严重错误后，操作系统调用进程撤消原语撤消进程。,相当于一个人死亡后，家人要去派出所消户口。,进程撤销过程：,（,1,）根据撤销进程标识号，从相应队列中找到并移出它；,（,2,）将该进程拥有的资源归还给父进程或操作系统；,（,3,）若该进程拥有子进程，先撤销它的所有子进程，以防它们脱离控制；,（,4,）回收,PCB,，并归还到,PCB,池。,38,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,3.,进程阻塞和唤醒,当一个处在运行状态的进程，因等待某个事件的发生（如等待打印机）而不能继续运行时，进程将调用阻塞原语来阻塞自己，,进程的状态由运行态转换为等待态（阻塞态）。,当等待事件完成时，会产生一个中断，激活操作系统，在系统控制下将被阻塞的进程唤醒，,这个进程将由阻塞状态转换成就绪状态,。,运行态,就绪态,等待态,进程调度,落选,出现等待事件,等待事件结束,进程阻塞,进程唤醒,39,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,进程阻塞步骤：,（,1,）停止进程执行，保存现场信息到,PCB,；,（,2,）修改进程,PCB,有关内容，如进程状态由运行态改为等待态等，并把修改状态后的进程移入相应事件的等待队列中；,（,3,）转入进程调度程序去调度其他进程运行,。,进程唤醒步骤：,（,1,）从相应的等待队列中移出进程；,（,2,）修改进程,PCB,的有关信息，如进程状态改为就绪态，并移入就绪队列；,（,3,）若被唤醒进程比当前运行进程优先级高，重新设置调度标志。,40,孙钟秀操作系统第二章处理机管理,