進(jìn)程和線(xiàn)程基本知識(shí)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(xiàn)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(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，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(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。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(méi)有生命周期，可長(zhǎng)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(méi)有此功能。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；通過(guò)調(diào)用關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程可包括多個(gè)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(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)（用戶(hù)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(shí)使用的動(dòng)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(xiàn)程的執(zhí)行運(yùn)行Running被調(diào)度時(shí)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(shí)進(jìn)程因等待某種條件（如I/O操作或進(jìn)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)不同的阻塞原因?qū)⑦M(jìn)程插入某個(gè)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(shí)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(shí)間可以重疊；動(dòng)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(shí)間相對(duì)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(gè)進(jìn)程占用CPU的方法——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)程公平得到處理機(jī)資源。進(jìn)程調(diào)度算法先來(lái)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(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)優(yōu)先數(shù)(優(yōu)先級(jí))，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(shí)間的長(zhǎng)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(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。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)情況變化而改變。9進(jìn)程調(diào)度時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法(RR,RoundRobin)特點(diǎn)：專(zhuān)門(mén)為分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。類(lèi)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(gè)時(shí)間長(zhǎng)度(時(shí)間片/時(shí)間量)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(méi)有執(zhí)行完，則必須讓出CPU等待下一次分配的時(shí)間片。PCBPCBPCBPCBCPU就緒隊(duì)列時(shí)間片用完執(zhí)行10進(jìn)程調(diào)度多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法(MultilevelFeedbackQueueScheduling)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)綜合的調(diào)度目標(biāo)。CPU降低進(jìn)程優(yōu)先級(jí)完成PCBPCBPCBPCB最高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PCBPCBPCBPCB次高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列PCBPCBPCBPCB低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列執(zhí)行時(shí)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(chēng)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。臨界資源也稱(chēng)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(fǎng)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。互斥定義：當(dāng)多個(gè)進(jìn)程因?yàn)闋?zhēng)奪臨界資源而互斥執(zhí)行稱(chēng)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(kāi)關(guān)中斷指令)也稱(chēng)為“硬件鎖”，是實(shí)現(xiàn)互斥最簡(jiǎn)單的方法。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(kāi)之前再開(kāi)中斷。鎖變量法(測(cè)試和設(shè)置指令)做法：設(shè)置一個(gè)共享(鎖)變量W，初值為0。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(méi)有進(jìn)程，1表示已經(jīng)有某個(gè)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(shí)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(hào)量(Semaphore)和P、V操作信號(hào)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(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P、V操作來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。 信號(hào)量的類(lèi)型：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0或n14進(jìn)程間的相互作用P、V操作(均是原語(yǔ))P操作：荷蘭語(yǔ)“proberen”——“檢測(cè)”之意。 意味著請(qǐng)求分配一個(gè)單位資源。P(S)：//S為信號(hào)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(yǔ)“verhogen”——“增量”之意， 意味著釋放一個(gè)單位資源。V(S)：//S為信號(hào)量{S=S+1;if(S<=0){從S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)；}}PCBPCBPCBPCB和S相關(guān)的等待隊(duì)列PCB16進(jìn)程間的相互作用信號(hào)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(hào)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(wèn)題

問(wèn)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(hào)量S1=1;//表示盤(pán)子是否空S2=0;//表示盤(pán)子里是否有東西{P(S2);takeoutfromdish;

V(S1);eating;}18線(xiàn)程的基本概念定義線(xiàn)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(xiàn)程和進(jìn)程的關(guān)系多線(xiàn)程模型1、線(xiàn)程是進(jìn)程的一個(gè)組成部分，線(xiàn)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(xiàn)程，線(xiàn)程還可以創(chuàng)建其它線(xiàn)程。2、進(jìn)程是資源分配和保護(hù)的基本單位，線(xiàn)程只能在進(jìn)程的地址空間活動(dòng)，線(xiàn)程只能使用其所在進(jìn)程的資源。19線(xiàn)程的基本概念線(xiàn)程的結(jié)構(gòu)PCB程序數(shù)據(jù)進(jìn)程地址空間TCB棧線(xiàn)程1TCB棧線(xiàn)程2TCB棧線(xiàn)程3線(xiàn)程的特點(diǎn)：1、線(xiàn)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(xiàn)程共享進(jìn)程的存儲(chǔ)空間和分配資源。工作區(qū)20線(xiàn)程的基本概念線(xiàn)程優(yōu)勢(shì)創(chuàng)建和撤消線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)非常小。不需要向系統(tǒng)請(qǐng)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(xiāo)線(xiàn)程系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)要遠(yuǎn)小于進(jìn)程。切換迅速。線(xiàn)程的上下文環(huán)境要比進(jìn)程簡(jiǎn)