第二章 进程管理Word格式文档下载.docx

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=x-1;

write（x）;

write（x）;

Cobegin

get;

copy;

put;

Coend

fstg

初始状态3,4,...,m22（1,2）

g,c,p4,5,...,m33（1,2,3）

g,p,c4,5,...,m33（1,2,2）

c,g,p4,5,...,m32（1,2,2）

c,p,g4,5,...,m32（1,2,2）

p,c,g4,5,...,m32（1,2,2）

p,g,c4,5,...,m33（1,2,2）

设信息长度为m，有多少种可能性？

2.2.1进程的概念

Process

进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位。

程序与进程之间的区别：

进程更能真实地描述并发，而程序不能。

进程是由程序和数据两部分组成的。

程序是动态的，进程是动态的。

进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的。

而程序是相对长久的。

一个程序可对应多个进程，反之亦然。

进程具有创建其它进程的功能，而程序没有。

进程的分类：

系统进程：

用户进程：

（系统进程优先于用户进程）

2.2.2进程的基本状态及其转换

进程的三种基本状态：

进程在生命消亡前处于且仅处于三种基本状态之一。

不同系统设置的进程状态数目不同。

运行态（Running）：

进程占有CPU，并在CPU上运行。

就绪态（Ready）：

一个进程已经具备运行条件，但由于无CPU暂时不能运行的状态。

（当调度给其CPU时，立即可以运行）

等待态（Blocked）：

阻塞态、挂起态、封锁态.冻结态、睡眠态

指进程因等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态。

（即使CPU空闲，该进程也不可运行）

状态转换：

在进程运行过程中，由于自身进展情况及外界环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相互转换。

就绪—运行:

被调度程序选中;

运行—就绪:

时间片到时,或有更高优先级的进程出现；

运行—等待:

等待某事件发生;

等待—就绪:

等待的事件发生了。

2.2.3进程控制块

（ProcessControlBlock）

概念：

系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。

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。

PCB的内容：

调度信息：

进程名；

进程的内部标识；

用户名；

进程状态；

进程优先级；

进程的存储信息（起始地址，长度）；

进程资源清单；

进程家族关系；

进程的队列指针；

进程的消息队列指针；

进程当前打开的文件。

现场信息：

记录了重要的寄存器；

（虚）时钟等内容。

PCB表：

系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内存的固定区域，就构成了PCB表。

PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的进程个数，称为系统的并发度。

（注：

多道程序中的多道与系统并发度不同）

进程控制块（ProcessControlBlock）

PCB表组织方式：

常用索引方式，对具有相同状态进程，分别设置各自的PCB索引表，表明PCB在PCB表中的地址。

（其他方式：

线性表或链表）

进程队列：

不同状态进程分别组成队列

运行队列、就绪队列、等待队列

2.2.4进程的特征

并发性：

任何进程都可以同其它进程一起向前推进。

动态性：

进程对应程序的执行：

进程是动态产生，动态消亡的。

进程在生命周期内，在三种基本状态之间转换。

独立性：

进程是CPU调度的一个独立单位。

交互性：

指进程在执行过程中可能与其它进程产生直接或间接的关系。

异步性：

每个进程都与其相对独立的不可预知的速度向前推进。

结构性：

进程的组成：

程序+数据+PCB

可再入程序：

可被多个进程同时调用的程序，具有下列性质：

它是纯代码的，即在执行过程中自身不改变，调用它的进程应该提供数据区。

【思考题】：

1．如果系统中有几个进程，运行的进程最多几个，最少几个；

就绪进程最多几个最少几个；

等待进程最多几个，最少几个。

2.有没有这样的状态转换，为什么：

等待—运行；

就绪—等待

3.一个转换发生，是否另一个转换一定发生，找出所有的可能。

4.举几个日常生活中类似进程的例子。

2.3进程间的相互作用

进程间的联系

进程的同步机制──信号量及P.V操作（解决进程同步互斥问题）

2.3.1进程间的联系

相交进程与无关进程

相交进程：

指多个并发进程在逻辑上有某种联系。

无关进程（不相交进程）：

在逻辑上无任何联系的进程。

直接作用和间接作用

直接作用：

进程间的相互联系是有意识的安排的，直接作用只发生在相交进程间。

间接作用：

进程间要通过某种中介发生联系，是无意识安排的，可发生在相交进程之间，也可发生在无关进程之间。

进程的同步（直接作用）

进程的同步：

synchronism

指系统中一些进程需要相互合作，共同完成一项任务。

具体说，一个进程运行到某一点时要求另一伙伴进程为它提供消息，在未获得消息之前，该进程处于等待状态，获得消息后被唤醒进入就绪态。

例:

司机P1售票员P2

REPEATREPEAT

启动关门

正常运行售票

到站停开门

UNTILFALSEUNTILFALSE

进程的互斥（间接作用）mutualexclusion

由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程的这种关系为进程的互斥。

临界资源：

criticalresource

系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变量。

临界区（互斥区）：

criticalsection

一个程序片段的集合，这些程序片段分散在不同的进程中，对某个共享的数据结构（共享资源）进行操作。

在进程中涉及到临界资源的程序段叫临界区。

进程的互斥（间接作用）

使用互斥区的原则：

有空让进：

当无进程在互斥区时，任何有权使用互斥区的进程可进入。

无空等待：

不允许两个以上的进程同时进入互斥区。

有限等待：

任何进入互斥区的要求应在有限的时间内得到满足。

前提：

任何进程无权停止其它进程的运行,进程之间相对运行速度无硬性规定

解决方法：

硬件（当一个进程进入临界区,就屏蔽所有中断，但成本高。

软件（用编程解决，但常常忙等待。

）

软件解法

（1）

free:

表示临界状态

true:

无进程在临界区（初值）

false:

有进程在临界区

....

L:

iffreethen

begin

=false;

‘进入临界区’

end

elsegotoL;

=true

软件解法

（2）

turn:

trueP进入临界区

falseQ进入临界区

P:

repeatuntilturn;

‘进入临界区’

turn:

=flase;

Q:

repeatuntilnotturn;

=true;

软件解法：

（3）

pturn,qturn:

初值为false

P进入临界区的条件:

pturn∧notqturn

Q进入临界区的条件:

notpturn∧qturn

P....Q.....

pturn:

pturn:

=ture;

repeatuntilnotqturn;

repeatuntilnotpturn

‘进入临界区’‘进入临界区’

qturn:

=false

......

软件解法（4）Dekker算法:

在解法（3）基础上引入turn枚举类型初值任意

P:

Repeat

whileqturndo

ifturn=2thenbegin

whileturn=2do

=true

end;

'

进入临界区'

=2;

ptum:

.....

Untilfalse

Q:

whilepturndo

ifturn=1thenbegin

whileturn=1do

=1;

qtum:

软件解法的缺点:

1.忙等待

2.实现过于复杂,需要高的编程技巧

硬件解法

（1）

“测试并建立”指令

FunctionTest_and_Set

（vartarget:

boolean）:

boolean

begin

Test_and_Set:

=target;

target:

end

Varlock:

boolean;

进入临界区前执行：

WhileTest_and_Set（lock）do

skip;

离开临界区后执行：

lock:

硬件解法

（2）

“交换”指令

FunctionSwap（vara,b:

boolean）

Vartemp:

temp:

=a;

a:

=b;

b:

=temp

每一组共享变量定义一个全局变量

每个进程定义一个局部变量

Varkey:

key:

repeat

swap（lock,key）;

untilkey=false;

硬件解法（3）

“开关中断”指令

执行“关中断”指令

执行“开中断”指令

2.3.2进程的同步机制──

信号量及P.V操作（解决进程同步）

同步机制：

信号量及P、V操作；

管程；

条件临界域；

路径表达式等（用于集中式系统中）

会合；

通信顺序进程；

分布进程；

远程过程调用等（适用于分布式系统中）

同步机制应满足的基本要求：

*描述能力*可以实现

*效率高*使用方便

信号量：

semaphore

是一个数据结构。

定义如下：

TYPEsemaphore=RECORD

Value：

integer

Queue：

Pointer_PCB

END

信号量说明：

VAR：

S：

P.V操作

P操作

P（s）:

s.Value:

=s.Value-1;

IFs.Value<

0then

将该进程状态置为等待状态,然后将该进程的PCB插入相应的等待队列末尾。

V操作

V（s）:

s.Value:

=s.Value+1;

=0then

唤醒相应等待队列中等待的一个进程,改变其状态为就绪态，并将其插入就绪队列。

P、V操作为原语操作

原语：

primitiveoratomicaction

是由若干多机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性。

即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。

实现：

开关中断

信号量的使用：

必须置一次且只能置一次初值，初值不能为负数

只能执行P、V操作

用P.V操作解决进程间互斥问题

经典的生产者─消费者问题

同步问题：

P进程不能往“满”的缓冲区中放产品，设置信号量为S1

Q进程不能从“空”的缓冲区中取产品，设置信号量S2

P：

Q：

RepeatRepeat

生产一个产品；

P（s2）;

送产品到缓冲区；

从缓冲区取产品；

V（s2）;

V（s1）;

P（s1）消费产品

Untilfalse;

Untilfalse;

Repeat

P（s1）;

V（s2）

【思考题】要不要对缓冲区（临界资源）进行互斥操作？

I:

=0

REPEAT

生产产品；

P（S1）

往Buffer[I]中放产品；

V（S2）

=（I+1）modn

UNTILfalse

Q：

J:

REPEAT

P（S2）

从Buffer[J]取产品；

V（S1）

消费产品

=（J+1）modn

UNTILfalse

P.V操作讨论

1）信号量的物理含义：

S>

0表示有S个资源可用；

S=0表示无资源可用；

S<

0则|S|表示S等待队列中的进程个数。

P（S）:

表示申请一个资源;

V（S）表示释放一个资源。

信号量的初值应该大于等于0

2）P.V操作必须成对出现，有一个P操作就一定有一个V操作。

当为互斥操作时，它们同处于同一进程。

当为同步操作时，则不在同一进程中出现。

如果P（S1）和P（S2）两个操作在一起，那么P操作的顺序至关重要,一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时同步P操作在互斥P操作前。

而两个V操作无关紧要。

3）P.V操作的优缺点

优点：

简单，而且表达能力强（用P.V操作可解决任何同步互斥问题。

缺点：

不够安全；

P.V操作使用不当会出现死锁；

遇到复杂同步互斥问题时实现复杂。

读者与写者问题

第一类：

读者优先

如果读者来：

1）无读者写者，新读者可以读。

有写者等，但有其它读者正在读，则新读者可以读。

有其它读者，且有写者等候，新读者也可以读。

如果写者来：

2）无读者，新写者可以写。

有读者，新写者等待。

有其它写者，新写者等待。

2.哲学家就餐问题

Repeat

思考；

取fork[i];

取fork[（i+1）mod5]；

进食；

放fork[i];

放fork[（i+1）mod5]；

state:

array[0..4]of

（思考，饥饿，进食）；

ph:

array[0..4]ofsemaphore;

mutex:

semaphore;

i:

0..4;

2.4进程通信

概念

消息缓冲通信方式

2.4.1概念

P.V操作实现的是进程之间的低级通讯，所以P.V为低级通讯原语。

它只能传递简单的信号，不能传递交换大量信息。

如果要在进程间传递大量信息则要用Send/Receive原语（高级通讯原语）。

进程通信的方式

共享内存：

相互通讯进程间设有公共内存，一组进程向该公共内存中写，另一组进程从公共内存中读，通过这种方式实现两组进程间的信息交换。

这种通信模式需要解决两个问题？

消息传递：

系统为进程提供了两个高级通讯原语send和receive。

send：

当要进行消息传递时执行send

receive：

当接收者要接收消息时执行receive

消息传递模式

消息缓冲：

在内存中开设缓冲区，接收进程接收传递。

信箱通信：

管道通信：

直接方式：

发送进程发消息时要指定接收进程的名字，

反过来，接收时要指明发送进程的名字。

*对称形式：

一对一

*非对称形式：

多对一（顾客/服务员）

有缓冲（有界，无界），无缓冲

间接方式：

发送进程发消息时不指定接收进程的名字，而是指定一个中间媒介，即信箱。

进程间通过信箱实现通信。

发送原语：

send（MB,Message）

接受原语：

receive（MB,Message）

2.4.2消息缓冲

（有界缓冲区原理）：

在操作系统空间设置一组缓冲区，当发送进程需要发送消息时，执行send系统调用，产生自愿性中断，进入操作系统，操作系统为发送进程分配一个空缓冲区，并将所发送的消息从发送进程copy到缓冲区中，然后将该载有消息的缓冲区连接到接收进程的消息链链尾，如此就完成了发送过程。

发送进程返回到用户态继续执行；

在以后某个时刻，当接收进程执行到receive接收原语时，也产生自愿性中断进入操作系统，由操作系统将载有消息的缓冲区从消息链中取出，并把消息内容copy到接收进程空间，之后收回缓冲区，如此就完成了消息的接收，接收进程返回到用户态继续进行。

消息缓冲区结构：

消息长度消息正文

发送者消息队列指针

用P.V操作来实现Send原语:

Send（R，M）P（m-mutex）;

Begin把缓冲区挂到接收进程

根据R找接收进程，的消息链链尾;

如果没找到出错返回;

V（m-mutex）;

申请空缓冲区P（s-b）；

V（s-m）;

P（b-mutex）;

END

摘空缓冲区;

V（b-mutex）;

把消息从M处copy到空缓冲区;

其中s-b初值:

n;

s-m初值:

管道通信方式Pipe

也称共享文件方式，基于文件系统，利用一个打开的共享文件连接两个相互通信的进程，文件作为缓冲传输介质。

2.5进程控制

创建、撤消进程以及完成进程各状态之间的转换。

由具有特定功能的原语完成。

进程创建原语进程撤消原语

阻塞原语唤醒原语

挂起原语激活（解挂）原语

2.5.1进程创建原语

进程创建主要完成以下工作：

创建一个PCB（找一个空PCB）；

为进程分配内存等必要资源；

填写PCB中各项目；

把其挂到进程就绪队列。

2.5.2进程撤消原语

收回进程所占有的资源；

撤消该进程的PCB。

2.5.3进程阻塞原语

处于运行状态的进程，在其运行过程中期待某一事件发生，如等待键盘输入；

等待磁盘数据传输完成；

等待其它进程发送消息，当被等待的事件未发生时，由进程自己执行阻塞原语，使自己由运行态变为阻塞态。

2.5.4进程唤醒原语

2.6进程调度（CPU调用）

要解决的问题

WHAT：

按什么原则分配CPU—进程调度算法

WHEN：

何时分配CPU—进程调度的时机

HOW：

如何分配CPU—CPU调度过程

（进程的上下文切换）

2.6.1进程调度算法

1．进程调度

进程调度的任务是控制协调进程对CPU的竞争即按一定的调度算法从就绪队列中选中一个进程，把CPU的使用权交给被选中的进程。

2．算法确定的原则

具有公平性

资源利用率，特别是CPU利用率

在交互式系统情况下要追求响应时间，其越短越好。

在批处理系统情况下要追求系统吞吐量

3．各种算法

先进先出进程调度算法（FIFO）

按照进程就绪的先后次序来调度进程。

优点:

实现简单

缺点:

是没考虑进程的优先级

基于优先数的调度

（HPF—HighestPriorityFirst）

优先选择就绪队列中优先级最高的进程投入运行

优先级根据优先数来决定

确定优先数的方法

静态优先数法：

在进程创建时指定优先数，在进程运行时优先数不变。

动态优先数法：

在进程创建时创立一个优先数，但在其生命周期内优先数可以动态变化。

如等待时间长优先数可改变。

两种占用CPU的方式

可剥夺式（可抢占式Preemptive）：

当有比正在运行的进程优先级更高的进程就绪时，系统可强行剥夺正在运行进程的CPU，以供具有更高优先级的进程使用。

不可剥夺式（不可抢占式Nonpreemptive）：

某一进程被调度运行后除非由于它自身原因不能运行，否则一直运行下去。

时间片轮转程序调度算法

（RR—RoundRobin）

把CPU划分成若干时间片,并且按顺序赋给旧序列队中每一个进程，进程轮流占有CPU，当时间片用完时，进程未执行完毕，则系统剥夺该进程的CPU，该进程排列旧序列队末尾。

同时选择另一个进程运行。

分时系统中常用时间片轮转法

时间片选择问题：

固定时间片

可变时间片

与时间片大小有关的因素：

系统响应时间

就绪进程个数

CPU能力

多队列反馈调度算法：

将就绪队列分为N级，每个就绪队列分配给不同的时间片，队列级别越高，时间越长，级别越小，时间片越小，最后级采用时间片轮转，其它队列用先进先出；

系统从第一级调用，当第一级为空时，系统转向第二个了队列，.....当运行进程用完一个时间片，放弃CPU，进入下一级队列，等待进程被唤醒时，进入原来的就绪队列，当进程第一次就绪时，进入第一级队列

*首先系统中设置多个就绪队列

*每个就绪队列分配给不同时间片，优先级高的为第一级队列给他时间片小，随着队列级别的降低，时间片加大

*各个队列按照先进先出调度算法

*一个新进程就绪后进入第一级队列

*