软件技术基础处理机管理.ppt

2.2 处理机管理§ 进程的概念 § 进程的控制§ 进程的调度 § 进程的互斥与同步§ 进程的通信§ 死锁多道程序系统程序A程序BOS调度I/O AI/O Bt1t2如何把CPU合理地分配给某个需要的程序， 并在其用完后予以回收合理利用及减少开销!分配回收处理机管理的核心问题CPUCPU2.2.1 进程的概 念 一、程序与进程 程序：由若干条具有一定功能的机器指令所组成 的解题顺序和步骤顺序执行 （单道系统）并发执行 （多道系统）顺序性封闭性可再现性程序执行严格按照一定顺 序，不受外界因素影响， 结果只由初始条件决定相互约束资源争夺 与共享程序执行是相互交替穿插进 行，执行次序每次变化；受 外界影响，结果与速度有关前驱图– 有向无环图 • 节点：表示一条语句，或一段程序 • 有向线段：表示语句之间的顺序关系 • 无环：当程序中出现循环时，一般将整 个循环作为一个节点a1 = 5;b1 = a1 + 5 ;print(b1);I1C1P1InputCalculatePrint 前驱图前驱图a1 = 5;b1 = a1 + 5;print( b1 )；a3 = 5;b3 = a3 – 10;print( b3 )；a2 = 5;b2 = a2 + 6;print( b2 )；I1C1P1程序1程序2程序3I2C2P2I3C3P3程序1程序2程序3I1输入输入处理机处理机打印机打印机I2C1I3C2P1C3P2t1t2t3t4t7程序顺序执行：程序顺序执行：t5t6t8P3t9I1P3输入输入处理机处理机打印机打印机t1t2t3t4t5I2C1I3C2P1C3P2由于多道程序中由于多道程序中I IK K、、C CJ J与与P PL L之间不存在前趋关系，之间不存在前趋关系， 程序之间可以并发执行：程序之间可以并发执行：并发执行并发执行 后，系统后，系统 效率提高效率提高并发执行并发执行 后，系统后，系统 效率提高效率提高程序顺序执行与并发执行例 ： 程序1 ……x ＝3 ；y＝x＋2 ；printf（y）；……程序2 ……x ＝1 ；y＝x＋5 ；printf（y）；……x =3 y=x+2printf(y)x =1y=x+5printf(y)顺序执行t2t1t3t4t5t6顺序执 行结果： y = 5 y = 6并发执行（一）x =3 y=x+2 printf(y)x =1 y=x+5printf(y)t2t1t3t4t5t6结果： y = 3 y = 3并发执行（二）x =3 printf(y) y=x+2y =x＋5x =1printf(y)t2t1t3t4t5t6结果： y = 3 y = 6可见：程序的概念已无法描述动态执行过程 中的并发活动，解决办法？——引入进程来描述程序的一次执行， 使并发执行的程序保持“可再现性”。

进程包括：执行现场的保留、资源的分 配情况、程序的执行位置等进程的定义：进程是可并发执行的程序在给定数据集合上的一次执行过程；是系统进行资源分配和调度的一个独立的基本单位和实体；是指执行一个映象程序的总环境1、程序程序是指令的集合，是静态概念进程进程是程序的执行过程，是动态概念2、程序程序可作为软件资源长期保存进程进程只是一次短暂活动或过程3、一个程序程序可对应多个进程一个进程进程可包含多段程序程序与进程比较二、进程的特征动态性并发性独立性异步性具备生命周期，可以被建立、挂起、撤销进程执行时间时间重叠资源分配的基本单位，相对独立速度不可预知， “走走停停”三、进程的描述PCB数据程序进程的结构：进程控制块（ Process Control Block ）：操作系统用来描述进程执行情况和 状态变化的一种专门数据结构内容：调度信息和现场信息典型的进程控制块PCB结构进程标识符进程状态CPU现场（程序状态字、寄存器内容等）资源清单优先级队列指针、家族关系通信机制（信箱或消息队列）同步机制（信号量）存储位置一串数值， 供计算机系 统使用PCB的作用¨PCB可唯一标识一个进程¨PCB中的信息为进程的控制提供依据¨PCB将程序变成了进程¨PCB是进程在系统中存在的唯一标志PCB进程一一对应PCBs的组织方式– 系统如何管理多个进程的? • 将各进程的PCB以一定的方式组织起来链接方式链接方式索引方式索引方式1 24 10 15四、进程的三种基本状 态就绪状态 ( Ready)执行状态 ( Executing)等待状态 ( Wait)获得了除了CPU外的一切所需资 源，具备执行条件占有CPU，正在执行。

唯一的）因等待某种事件而暂时不能执行进程状态的转 换新进程就绪执行结束阻塞接纳进程调度中断或 时间片用完完成I/O请求或 等待某事件I/O完成或 事件发生状态转换原因图状态转换原因图状态转换执状态转换执 行图行图新进程就绪执行结束阻塞进入 就绪队列分配CPU使用权强制放弃CPU 回到就绪队列释放所有 资源进程主动放弃CPU 进入阻塞等待队列进程被释放 回到就绪队列进程状态转换归 纳：新进程就绪状态事件动作 接纳进入就绪队列就绪执行进程调度分配CPU执行结束完成释放资源执行阻塞时间片到时 高优先中断系统剥夺CPU执行就绪I/O请求 等待某事件进程放弃CPU 进入阻塞等待队列阻塞就绪阻塞事件释放进程进入就绪队列注 意 ： 就绪阻塞 阻塞执行执行就绪– 进程从执行态到阻塞态是主动的 • 进程发现需要等待某一事件，主动向系统申请进入阻 塞态 – 进程从阻塞态到就绪态是被动的 • 当系统（或其它进程）发现阻塞进程阻塞的条件已释 放，向系统申请将该阻塞进程置为就绪态2.2.2 进程的控制§ 进程的控制——控制进程在其生命周期的各种 活动及状态转换§ 通过操作系统的原语（primitive）来实现原语：用以完成特定功能的不可分割的一段程 序，原语的执行过程是不可中断的。

创建原语撤销原语阻塞原语唤醒原语一、创建原语： 实质是创建进程控制块申请空闲 PCB1向 PCB 填入信息2设置进程为就绪状态3进程进入就绪队列4进程创建步骤二、撤销原 语进程撤销步骤检索 PCB，找到1撤销该进程及其子进程2释放资源3撤销 PCB4进程完成任务或异常中断三、阻塞原语阻塞执行阻塞 原语引发阻塞的事件启动 I/O操作等待新数据无工作可做请求系统服务中断 CPU 工作1保存CPU信息到PCB中2设为阻塞态3PCB进入阻塞队列4进程阻塞步骤四、唤醒原语就绪等待唤醒 原语引发唤醒的事件服务完成新数据到达新任务下达I/O操作完成在等待队列查找1设置进程PCB为就绪态2从等待队列撤销3PCB进入就绪队列4 进程唤醒步骤（1）内核是OS的控制和协调中心，由它组织、 启动和协调系统中各种活动 – 内核包括：中断处理程序、常用设备驱动 软件、时钟管理、进程管理、存储器管理 及公用基本操作等 – 内核常驻内存以提高效率 （2）内核通常由各种原语构成补充：操作系统内核内核中的程序是系统的基本功能单元，一般不允 许被打断，否则将造成系统性能不稳定3）中断处理 – 中断机制是OS内核最重要的功能之一。

系 统中的所有中断都由内核响应中断是进 程并发执行的基础， OS是由中断驱动的 多道程序系统多道程序系统程序程序A A程序程序B BOSOS调度调度 I/O AI/O A I/O BI/O B t1t2CPUCPU基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理基于中断机制的处理中断源中断源中断请求中断请求中断响应中断响应转中断转中断 处理程序处理程序退出中断退出中断关于中断机 制向CPU发 出中断保护CPU现场 识别中断源恢复CPU 现场中断现场的保护与恢复中断现场的保护与恢复 — — 利用系统栈利用系统栈中断源中断源 — — 引起中断的异步事件（如：系统调用，引起中断的异步事件（如：系统调用，I/OI/O 请求，进程调度，请求，进程调度， 设备驱动等）设备驱动等） 中断请求中断请求 — — 向向CPUCPU发出中断信号硬中断、软中断）发出中断信号硬中断、软中断）中断处理中断处理 — — 查中断向量表，将请求交相关的中断处理查中断向量表，将请求交相关的中断处理 程序处理程序处理4）时钟管理– OS的许多重要操作，如：按时间片轮转调 度，实时系统中的截止时间控制等，都依 赖于时钟管理。

t 作业作业1 12 23 31 12 23 3时钟中断时间片轮转UNIX进程的控 制¨创建：fork——创建一个新进程（子进程 ），子进程是父进程的精确复制；exec— —用一个新进程覆盖调用进程¨撤销：exit——向父进程给出一个退出码 ¨阻塞： sleep——暂停一段时间； pause— —暂停并等待信号； wait——等待子进程 暂停或终止¨唤醒： kill——发送信号到某个或一组进 程，使得接收方从阻塞的系统调用中返回 Windows NT进程的控 制¨NT的进程和线程作为对象(Object)，以句柄 (handle)来引用相应地有控制对象的服务 (services) ¨创建：CreateProcess——创建新进程及其主线程 ，以执行指定的程序 ¨退出：ExitProcess——终止一个进程和它的所有 线程；它的终止操作是完整的，包括关闭所有对 象句柄、它的所有线程等； TerminateProcess——终止指定的进程和它的所 有线程；它的终止操作是不完整的，通常只用于 异常情况下对进程的终止 ¨挂起：SuspendThread——挂起指定的线程 ¨激活：ResumeThread——恢复指定线程的执行 。

2.2.3 进程的调度含义：目的：对象：处理机调度为各个进程分配处理机使每个进程都能合理的使用处理机，得 到及时的响应处于就绪队列的进程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一、进程调度的原因进程执行完毕；进程等待某个事件阻塞；进程的时间片用完；有新进程（高优先级或其他）进入就绪队列；剥夺式 （抢占式）非剥夺式 （非抢占式）系统按照某种原 则剥夺现行进程的 CPU使用权，并 交给其他进程现行进程的CPU使用权 无法剥夺，除非由于时间 片完或者进程自身原因才 能交出CPU使用权高优先权短进程二、进程调度的方 式三、进程调度的功能记录系统中所有 进程的执行情况1确定分配 处理机的原则2处理机的 分配与回收3记录系统中各进程的执行情 况和环境状态，以便在处理机空 闲的时候选择合适的进程执行选择合适的调度算法以选择 合适的进程执行在执行（撤销）进程时装入 （释放）PCB信息四、进程调度的过 程记录进程的相关信息选取适当的进程执行为进程分配处理机进程本身信息 和环境信息进程调 度算法恢复进程的 现场信息五、进程调度的算法算法设计的准则：用户周转时间响应时间优先权系统系统吞吐量处理机效率资源利用的 平衡截止时间简单的调度算法先来先服务算法短进程优先轮转法等时间片轮转不等时间片轮转优先权法抢占式优先权 非抢占式优先权 静态优先权 动态优先权多级反馈队列算法算法的分 类：（1）先到先服务（FCFS）算 法常用算法按照就绪进程进入就绪队列的先 后顺序调度，先进入先服务。

算法简单，易于实现对长进程有利 短进程服务质量差（2）短进程优先（SCBF）算 法 按照就绪进程对系统服务时间的需求确定优 先权，服务时间需求短的进程优先被调度 需要进行进程时间估计对短进程有利 长进程可能得不到调度n+1nntƮ＝＋（1 － ）Ʈ其中其中Ʈ Ʈ n n为估计的第为估计的第n n个个CPUCPU 周期t tn n为实际值为实际值为控制值，为控制值，0 0≤ ≤1≤ ≤1，常取，常取 0.50。