第二部分操作系統(tǒng)第5章操作系統(tǒng)概論第6章處理器管理第7章存儲器管理第8章設(shè)備管理第9章文件管理第6章處理器管理(1)6.1進(jìn)程的概念

6.2進(jìn)程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換

6.3進(jìn)程的控制

6.4進(jìn)程的協(xié)調(diào)

6.5進(jìn)程間的通信

6.6進(jìn)程的安全性

6.7線程的概念

6.8作業(yè)管理

6.9處理器調(diào)度進(jìn)程管理處理器（CPU）是整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中核心的、寶貴的硬件資源。有效地管理CPU、最大限度地提高CPU的利用率，是操作系統(tǒng)最重要的管理任務(wù)。采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)、組織多個作業(yè)同時執(zhí)行解決CPU的調(diào)度、分配和回收等問題處理器管理高級處理器管理：作業(yè)管理（調(diào)度），確定哪個作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存。低級處理器管理：進(jìn)程管理（調(diào)度），哪個作業(yè)中的哪個進(jìn)程將獲得CPU。進(jìn)程，是系統(tǒng)分配資源的獨(dú)立單位。第6章處理器管理進(jìn)程管理學(xué)習(xí)目標(biāo):1.掌握：進(jìn)程定義，臨界區(qū)概念，進(jìn)程的狀態(tài)及其變化，進(jìn)程的同步與互斥。2.理解：多道程序設(shè)計(jì)概念，進(jìn)程的組成，進(jìn)程管理的基本命令，信號量和P、V

操作及其應(yīng)用。3.了解：進(jìn)程間的通信。

單道批處理系統(tǒng)單道運(yùn)行：每次只調(diào)用一個用戶作業(yè)程序進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行

6.1進(jìn)程的概念（概念的引入）1.程序的順序執(zhí)行(單道批處理系統(tǒng))

一個程序由若干個程序段組成，而這些程序段的執(zhí)行必須是順序的，這種程序執(zhí)行的方式就稱為程序的順序執(zhí)行。特點(diǎn)(1)順序性－－只有前一個操作結(jié)束,才能執(zhí)行后續(xù)操作(2)唯一對應(yīng)性－－程序與執(zhí)行過程一一對應(yīng)(3)封閉性－－程序運(yùn)行時獨(dú)占全機(jī)資源

程序一旦開始執(zhí)行，其計(jì)算結(jié)果不受外界的影響。(4)可再現(xiàn)性－－與執(zhí)行速度無關(guān)

程序執(zhí)行的結(jié)果與初始條件有關(guān)，而與執(zhí)行時間無關(guān)。多道批處理系統(tǒng)多道程序的思想：在內(nèi)存中允許同時存放若干道相互獨(dú)立的程序，并允許它們交替執(zhí)行，共享系統(tǒng)軟硬件資源。特征：(1)資源共享。(2)程序并發(fā)執(zhí)行。用戶程序A用戶程序B請求盤輸入請求帶輸入啟動盤調(diào)度B啟動帶中斷處理中斷處理調(diào)度A調(diào)度B監(jiān)督程序磁帶操作磁盤操作結(jié)束中斷結(jié)束中斷T6.1進(jìn)程的概念程序的并發(fā)執(zhí)行(多道批處理系統(tǒng))特點(diǎn)1)并發(fā)性 若干個程序段同時在系統(tǒng)中運(yùn)行，這些程序的執(zhí)行在時間上是重迭的，一個程序段的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一個程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始，即使這種重迭是很小的，也稱這幾個程序段是并發(fā)執(zhí)行的。2)開放性（失去了封閉性） 系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行的程序，共享資源，程序的執(zhí)行與外部因素（如執(zhí)行速度）有關(guān)，不再具有封閉性。 注：若一個程序的執(zhí)行可改變另一個程序的變量，程序執(zhí)行的結(jié)果不僅依賴于程序的初始條件，還依賴于程序執(zhí)行時的相對速度，在這種情況下就失去了程序的封閉性。例：有兩個循環(huán)程序A和B，它們共享一個變量N。[程序A]執(zhí)行N∶=N+1操作；[程序B]執(zhí)行Print(N)； N:=0；程序A和B以不同的速度運(yùn)行。結(jié)果：

(1)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0

之前，此時得到的N值分別為N+1,N+1(輸出),0。(2)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0

之后，此時得到的N值分別為N(輸出),0,1。(3)N∶=N+1在Print(N)和N∶=0

之間，此時得到的N值分別為N(輸出),N+1,0。

進(jìn)程概念的引入-并發(fā)執(zhí)行的特點(diǎn)3)動態(tài)性（程序與執(zhí)行活動不再一一對應(yīng)）并發(fā)程序中的并發(fā)活動是動態(tài)產(chǎn)生、動態(tài)消亡的。程序的并發(fā)執(zhí)行時，可能有多用戶共享使用同一個程序，但處理（執(zhí)行時）的對象卻是不同的。在程序順序執(zhí)行時，一個程序總是對應(yīng)一個具體的執(zhí)行。例如，在多用戶環(huán)境下，可能同時有多個用戶調(diào)用C語言的編譯程序，這就是典型的一個程序?qū)?yīng)多個用戶源程序的情況。4)程序并發(fā)執(zhí)行的相互制約間接制約無邏輯關(guān)系的用戶程序之間競爭使用資源而產(chǎn)生的制約關(guān)系使本來并無邏輯關(guān)系的程序之間產(chǎn)生了相互制約關(guān)系。程序活動的工作狀態(tài)與環(huán)境有密切關(guān)系，并發(fā)程序具有“執(zhí)行—暫?！獔?zhí)行”的活動規(guī)律。直接制約存在邏輯關(guān)系的程序之間相互等待而發(fā)生的制約關(guān)系順序執(zhí)行與并發(fā)執(zhí)行的特征比較順序執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行

程序順序執(zhí)行唯一對應(yīng)性

程序具有封閉性獨(dú)享資源具有可再現(xiàn)性間斷執(zhí)行，多個程序各自在“走走停?！敝羞M(jìn)行動態(tài)性

程序失去封閉性共享資源失去其可再現(xiàn)性有直接和間接的相互制約

1.進(jìn)程的定義

背景：當(dāng)程序順序執(zhí)行時，具有封閉性和可再現(xiàn)性，但為了提高計(jì)算機(jī)的速度和增強(qiáng)系統(tǒng)的處理能力，廣泛采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，從而導(dǎo)致程序的并發(fā)進(jìn)行和資源共享。這帶來新的特性，即失去封閉性、程序與計(jì)算機(jī)活動失去一一對應(yīng)，并使程序并發(fā)執(zhí)行時產(chǎn)生了相互制約的關(guān)系。為了更好描述程序的并發(fā)活動，引入了“進(jìn)程”概念。

1.進(jìn)程的定義進(jìn)程的定義：

進(jìn)程是程序在并發(fā)環(huán)境中的執(zhí)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位。說明：1）進(jìn)程最根本的屬性是動態(tài)性和并發(fā)性

2）進(jìn)程和程序是兩個完全不同的概念

3）尚無統(tǒng)一的定義和名稱：美國MIT稱進(jìn)程（process）、IBM公司稱任務(wù)（task）、Univac公司稱活動（action）。1.進(jìn)程的定義進(jìn)程和程序主的聯(lián)系和區(qū)別聯(lián)系：程序是構(gòu)成進(jìn)程（程序、數(shù)據(jù)、進(jìn)程控制塊）的組成部分之一。一個進(jìn)程的運(yùn)行目標(biāo)是執(zhí)行它所對應(yīng)的程序；如果沒有程序，進(jìn)程就是去了存在意義。區(qū)別：程序是靜態(tài)概念；進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是動態(tài)概念。

程序

進(jìn)程靜態(tài)的概念

動態(tài)的概念不能并行活動

獨(dú)立的運(yùn)行單位，能并行活動不是一個基本單位

是處理機(jī)調(diào)度、竟?fàn)庂Y源的基本單位一個程序可對應(yīng)多個進(jìn)程

一個進(jìn)程可以執(zhí)行多個程序段類似于樂曲與樂曲的一次演奏之間的關(guān)系。2.進(jìn)程的特征

動態(tài)性：進(jìn)程是程序在并發(fā)系統(tǒng)內(nèi)的一次執(zhí)行。進(jìn)程“由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，因得不到資源而暫停執(zhí)行，由撤消而消亡”

并發(fā)性：概念引入的起源

獨(dú)立性：一個進(jìn)程是一個相對完整的資源分配單位。每個進(jìn)程按照各自獨(dú)立、不可預(yù)知的速度執(zhí)行（異步性）。制約性：進(jìn)程之間的相互制約（互斥使用資源、必要的同步和通信）結(jié)構(gòu)性：程序+數(shù)據(jù)+進(jìn)程控制塊（PCB,ProcessControlBlock）3.進(jìn)程的組成進(jìn)程的組成：程序、數(shù)據(jù)集合、進(jìn)程控制塊（PCB）這三部分構(gòu)成“進(jìn)程實(shí)體”，也稱為“進(jìn)程映象”。

4.進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊

是進(jìn)程組成中最關(guān)鍵的部分，它含有進(jìn)程的描述信息和控制信息，是進(jìn)程動態(tài)特性的集中反映，是系統(tǒng)對進(jìn)程進(jìn)行識別和控制的依據(jù)。進(jìn)程創(chuàng)建時建立PCB（唯一的、進(jìn)程存在標(biāo)志）。在進(jìn)程的生命周期內(nèi)，操作系統(tǒng)（OS）通過對PCB的管理來實(shí)現(xiàn)對進(jìn)程的管理。進(jìn)程撤消時刪除其相應(yīng)的PCB。4.進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊包含的內(nèi)容：(1)進(jìn)程名：外部標(biāo)識符(2)標(biāo)識碼（進(jìn)程號）PID：內(nèi)部標(biāo)識符(3)優(yōu)先數(shù)(4)位置信息：存儲器中的物理位置(5)狀態(tài)信息：當(dāng)前活動狀態(tài)(6)現(xiàn)場信息：與運(yùn)行相關(guān)的信息（通用寄存器、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW等）(7)通信信息(8)占用資源(9)其他信息6.2進(jìn)程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換進(jìn)程的動態(tài)性由它的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換體現(xiàn)1、進(jìn)程的三種基本狀態(tài)1)運(yùn)行態(tài)(running)：當(dāng)進(jìn)程得到處理器控制權(quán)時，它的程序正在處理機(jī)上運(yùn)行，該進(jìn)程所處的狀態(tài)為運(yùn)行狀態(tài)。2)就緒態(tài)(ready)：存在于處理機(jī)調(diào)度隊(duì)列中的那些進(jìn)程，它們已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，一旦得到CPU，就可以立即運(yùn)行，這些進(jìn)程所處的狀態(tài)稱為就緒狀態(tài)。3)阻塞態(tài)或等待態(tài)(blocked/wait)：若一個進(jìn)程正等待著某一事件發(fā)生（如等待輸入輸出操作的完成）而暫時停止執(zhí)行。這時，即使給它CPU時間，它也無法執(zhí)行，則稱該進(jìn)程處于等待狀態(tài)（又可稱為封鎖狀態(tài)或等待狀態(tài)）。2、進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程三態(tài)模型及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖.就緒—運(yùn)行.運(yùn)行—阻塞.運(yùn)行—就緒.阻塞—就緒2、進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換a.創(chuàng)建—就緒b.就緒—運(yùn)行c.運(yùn)行—阻塞d.運(yùn)行—就緒e.運(yùn)行—終止f.阻塞—就緒創(chuàng)建狀態(tài)退出狀態(tài)具有五種狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（1）就緒->運(yùn)行處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程被調(diào)度程序選中，分配到CPU后，該進(jìn)程的狀態(tài)就由就緒態(tài)變成運(yùn)行態(tài)。處于運(yùn)行態(tài)的進(jìn)程也稱作當(dāng)前進(jìn)程。此時當(dāng)前進(jìn)程的程序在CPU上執(zhí)行，它真正是活動的。（2）運(yùn)行->阻塞正在運(yùn)行的進(jìn)程因某種條件而未滿足而放棄對CPU的占用。這個進(jìn)程的狀態(tài)就由運(yùn)行態(tài)變?yōu)樽枞麘B(tài)。2、進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換（3）阻塞->就緒

處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程所等待的事件發(fā)生了,此時該進(jìn)程就從阻塞隊(duì)列中出來,進(jìn)入到就緒隊(duì)列中,然后與就緒隊(duì)列中的其它進(jìn)程競爭CPU。（4）運(yùn)行->就緒正在運(yùn)行的進(jìn)程如用完了本次分配給它的CPU時間片，它就得從CPU上退下來，暫停運(yùn)行。該進(jìn)程的狀態(tài)就由運(yùn)行態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)，以后進(jìn)程調(diào)度程序選中它，它就又可以繼續(xù)運(yùn)行了。2、進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換3.掛起狀態(tài)某些系統(tǒng)中，為了更好地管理和調(diào)度進(jìn)程及適應(yīng)系統(tǒng)的功能目標(biāo)，引入了掛起狀態(tài)。引入掛起狀態(tài)的原因（1）負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要由于不斷地創(chuàng)建進(jìn)程，系統(tǒng)資源（特別是主存資源）已經(jīng)不能滿足進(jìn)程運(yùn)行的要求，此時必須把某些進(jìn)程掛起（suspend），置于磁盤對換區(qū)中，釋放其占用的某些資源，起到平滑系統(tǒng)負(fù)載的目的；（2）終端用戶或父進(jìn)程的請求可能系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障，需要暫時掛起一些進(jìn)程，以便在故障消除之后，解除掛起并恢復(fù)進(jìn)程的運(yùn)行；用戶在調(diào)試程序過程中，可以請求掛起進(jìn)程，以便進(jìn)行某種檢查或修改。兩個新狀態(tài)：掛起就緒、掛起阻塞原來的就緒狀態(tài)成為活動就緒原來的阻塞狀態(tài)稱為活動阻塞具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)圖圖：具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)圖活動就緒運(yùn)行掛起就緒掛起阻塞活動阻塞掛起時間片完被調(diào)度激活掛起等待事件事件發(fā)生(喚醒)事件發(fā)生(喚醒)激活掛起6.3進(jìn)程的控制進(jìn)程管理的功能系統(tǒng)中的進(jìn)程不斷地產(chǎn)生和消亡，進(jìn)程生命周期的動態(tài)變化過程由進(jìn)程管理來控制。通過原語操作實(shí)現(xiàn)：進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程終止、進(jìn)程阻塞、進(jìn)程喚醒、進(jìn)程掛起、進(jìn)程激活等。1.原語操作

所謂原語（Primitive）操作：是完成系統(tǒng)特定功能的不可分割的過程，它具有原子操作性，其程序段不允許被中斷（原語不能并發(fā)執(zhí)行）機(jī)器指令的延伸，往往是為完成某些特定的功能而編制的一段系統(tǒng)程序。系統(tǒng)對進(jìn)程的控制如果不采用原語，會造成狀態(tài)的不確定性，不能達(dá)到進(jìn)程控制的目的。原語操作也稱“原子操作”，即一個操作中的所有動作要么全做，要么全不做。6.3進(jìn)程的控制2.進(jìn)程創(chuàng)建（原語）

父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程（提交批處理作業(yè)、操作系統(tǒng)創(chuàng)建服務(wù)進(jìn)程等）時要調(diào)用進(jìn)程創(chuàng)建原語。進(jìn)程創(chuàng)建原語的主要操作過程是：(1)申請一個空閑的PCB(ProcessControlBlock),指定進(jìn)程標(biāo)識號PID(進(jìn)程內(nèi)部名)(2)為新進(jìn)程分配資源(3)將新進(jìn)程的PCB初始化（各種參數(shù)）(4)將新進(jìn)程加到就緒隊(duì)列中6.3進(jìn)程的控制2.進(jìn)程創(chuàng)建（原語）實(shí)現(xiàn)方法：傳統(tǒng)UNIX：父進(jìn)程使用fork()創(chuàng)建子進(jìn)程子進(jìn)程繼承父進(jìn)程的全部資源(相同的存儲映像、環(huán)境字符串、打開文件)Windows系統(tǒng)：進(jìn)程使用Win32API的CreateProcess()函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程新老進(jìn)程之間不存在族系關(guān)系操作系統(tǒng)為新進(jìn)程創(chuàng)建新的地址空間6.3進(jìn)程的控制3.進(jìn)程終止（原語） 進(jìn)程完成特定的工作或出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤之后，操作系統(tǒng)將回收其所占有的地址空間和PCB，即進(jìn)程終止。進(jìn)程終止的主要操作過程：(1)從系統(tǒng)的PCB表中找到指定進(jìn)程的PCB,若它正處于運(yùn)行態(tài)，則立即終止該進(jìn)程的運(yùn)行；(2)回收該進(jìn)程所占用的全部資源；(3)若該進(jìn)程還有子孫進(jìn)程，則還要終止其所有子孫進(jìn)程，回收它們所占用的全部資源；(4)釋放被終止進(jìn)程的PCB，并從原隊(duì)列中摘走。6.3進(jìn)程的控制4.進(jìn)程阻塞（原語）

進(jìn)程阻塞：進(jìn)程讓出處理器，轉(zhuǎn)而等待一個事件（等待資源、等待I/O操作完成、等待某事件發(fā)生等）。進(jìn)程通常調(diào)用阻塞原語來阻塞自己當(dāng)?shù)却录瓿蓵r，會產(chǎn)生一個中斷，激活操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)的控制下將被阻塞的進(jìn)程喚醒進(jìn)程阻塞過程：(1)立即停止當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行；(2)將現(xiàn)行進(jìn)程的CPU現(xiàn)場送到該進(jìn)程的PCB現(xiàn)場保護(hù)區(qū)保存起來；(3)把該進(jìn)程PCB中的現(xiàn)行狀態(tài)由“運(yùn)行”

改為“阻塞”，把它插入到具有相同事件的阻塞隊(duì)列中；(4)轉(zhuǎn)到進(jìn)程調(diào)度程序，重新從就緒隊(duì)列