计算机操作系统 许曰滨版 第三章

第3章进程管理本章主要内容进程管理的基本概念进程控制块进程控制进程调度实时系统的进程调度线程（Thread）关于调度讨论要点之一操作系统为什么要引进“进程”？到底什么是进程？进程有哪些特征？进程与程序、作业的关联与区别？进程管理模块要实现哪些功能？3.1进程管理的基本概念3.1.1程序的运行方式1.顺序运行顺序运行方式是一种最容易实现的方式，常见于早期的单道批处理系统中。这种方式具有以下基本特征：l顺序特征。l独占特征。l确定性特征l可重现性特征2.并发运行并发运行是多道程序系统中的一种运行方式。它允许多个程序共享CPU，以并发方式进行运算。在这种方式下，系统的资源不再被某一个程序独占，而是由多个程序共享。多道程序并发运行:指的是内存中同时活跃着多个用户进程，它们以CPU共享方式投入运行。并发运行方式的基本特征异步特征资源共享特征相互制约特征不可重现性特征3.1.2进程概念进程：是程序的运行过程，是可以独立申请并获得系统资源，能够与其他进程并发运行的基本单位。进程具有以下5个特征：（1）动态特征（2）并发特征（3）独立特征（4）异步特征（5）结构特征3.1.3进程管理的主要功能进程管理，是操作系统中最重要的组成部分，它的功能可大体分为两个方面：进程控制和进程调度。1.进程控制·创建新进程，撤消已结束的进程。·阻塞或唤醒一个进程，挂起或激活一个进程。·进程同步与通信控制。2.进程调度·根据进程当前状态决定哪个进程获得CPU，以及占用多长时间。·将CPU分给进程。一般用户如何感知到进程？举例：//ex1.c#includeunistd.h#includestdio.h#includestdlib.hintmain(){intpid;pid=fork();printf(“Hello\n);}要点之二操作系统如何管理进程？PCB、进程状态、状态转换进程管理模块如何实现管理功能？进程控制原语进程调度进程的同步与互斥（第四章）进程控制块一个进程在其生命周期中，需要经历多个发展阶段。每个阶段进程的推进位置、资源占有情况都在发生不断变化。为了描述不断变化的进程，系统引入一种与进程相联系的数据结构——进程控制块PCB。进程控制块PCB的内容包括以下4部分：•进程标识•调度信息•处理机信息•进程控制信息1．进程标识进程标识是系统识别进程的标志。不同进程，其标识也不同。进程标识可分为外部标识和内部标识两部分。其中，外部标识（也称作进程的外部名），是进程的创建者提供的进程名字，通常由字符串组成。内部标识（也称作进程的内部名，简记为Pid）是系统为进程命名的一个代码，通常是一个整型数。2．调度信息（1）进程优先数，描述进程紧迫性的信息。（2）进程状态信息，描述进程当前处于何种状态。（3）其它调度信息。这部分信息有：进程在系统中等待的时间有多久，已在CPU上运行的时间是多少，剩余的运行时间有多少等。这些信息可帮助系统选择一个最迫切、最具运行条件的进程投入运行。3.处理机信息当一个进程运行过程中发生某些事件，使该进程运行不下去时，系统将剥夺它的CPU，交给别的进程使用。则，该进程的CPU现场信息可以保存在它自己的PCB内，以便该进程重新获得CPU时可以从此处恢复现场信息，继续运行。（1）通用寄存器的内容：包括数据寄存器、段寄存器等。（2）程序状态字PSW（ProgramStatusWord）及程序计数器PC（ProgramCount）值。（3）进程的堆栈指针。4.进程控制信息这部分内容是系统对进程实施控制的依据，主要包括程序代码及数据集的相关说明：（1）程序代码和数据集所在的内存地址。（2）资源清单，记载进程请求资源的情况和已经占有资源的情况。（3）同步与通信信息。（4）外存地址。（5）家族信息。（6）链接指针。如Linux中PCB类型定义structtask_struct{…unsignedshortuid;intpid;intprocessor;…volatilelongstate;longpriority;unsignedlongrt_priority;longcounter;unsignedlongflags;unsignedlongpolicy;…structtask_struct*next_task,*prev_task;structtask_struct*next_run,*prev_run;structtask_struct*p_opptr,*p_pptr,*p_cptr,*p_ysptr,*p_ptr;…};3.2.2进程基本状态及状态变迁一、进程的3种基本状态就绪（Ready）状态这是进程尚未获得CPU使用权的一种状态。在这一状态下，进程已经拥有除CPU外其它全部所需资源，因此该状态是一种“备运行”状态。运行（Running）状态这是进程获得CPU并投入运行的一种状态。事实上，在通常的单CPU系统中，每个瞬间最多只能有一个进程在运行。阻塞状态（BlockedStatus）这也是进程尚未获得CPU使用权的一种状态。在这一状态下，进程因某种要求得不到满足，只好等待，我们称之为运行“受阻”。处于阻塞状态的进程是无权获得CPU的。进程的三种基本状态（1）后备就绪当作业调度程序选中一个作业时，该作业就由外存装入内存，并被创建为进程。在大多数系统中，进程创建后的第1个状态是就绪状态。此刻进程已拥有所需的全部资源，只要获得CPU就可以运行。（2）就绪运行当进程调度程序按照某种算法，选中一个处于就绪状态的进程时，该进程就获得了CPU使用权，进程状态由“就绪”改为“运行”。(3)运行阻塞一个正在运行的进程，因需要系统的某种支持，比如，等待输入输出或者等待系统的资源，那么该进程已无法继续运行下去，只好主动放弃CPU，将自己阻塞起来等待所需的事件发生。(4)运行就绪在一个按时间片进行轮转调度的系统中，当正在运行的进程使用完自己的时间片时，系统将中断该进程的运行，使它由“运行”状态转为“就绪”状态。显然，该进程已充分用完自己的时间片，剩余的运行只好等到下一个调度周期到来。在一个可抢占式调度系统中，如果有一个更高优先级的进程到来，系统将剥夺当前进程的CPU，交给更高优先级进程运行。当前进程只好由运行状态转为阻塞状态。(5)阻塞就绪当一个阻塞的进程遇到自己等待的事件发生，该进程便具有了运行的条件，进程控制模块将它由“阻塞”状态转为“就绪”状态。等待的事件包括：请求的资源已获得；等待的I/O操作已完成；其它进程发来“唤醒”消息，及其它一些原因。(6)运行完成当正在运行的进程已经运行完自己的程序后，管理程序将收回它所占用的资源。比如，通过调用“存储管理模块”回收它所占用的内存空间，调用“设备管理模块”回收它所占用的外部设备。若当前进程的状态转为“完成”后，系统需要将CPU重新分配给他人使用。3.2.3扩展状态挂起将内存中当前某个尚不能运行的进程调到外存上去，腾出来的空间接纳更多的进程。这一处理称作进程“挂起”（Suspend）。挂起状态1.挂起阻塞（S-Blocked）状态2.挂起就绪（S-Ready）状态为什么要引入挂起状态？举一个例子。若系统的内存用户区有20M空间，收到的作业平均长度500K。每时刻可容纳的作业数量最多为40个。若每个作业平均执行104条指令将产生一次I/O，相当于每次使用CPU运行0.1ms就需要等待20ms的I/O时间。因此，CPU的利用率p可粗略地估算为：可以看出，处理机有近80%的时间是闲置的。2.0201.01.040p加入挂起状态的进程状态转换图Linux2.4版本中进程的6种状态PCB队列结构3.3进程控制进程从产生到消亡的整个过程中都是由操作系统来控制的。操作系统中的一些功能程序来实现进程控制的使命。通常，这些离散的小程序块处于操作系统的底层，运行时不允许中断。我们习惯上称它们为“原语”。原语（Primitive），是用机器指令构成的一种实现特定功能的小程序，它的运行具有不可分割性。l进程控制用的原语。这是一类实现进程管理和状态切换的原语，如，进程创建原语、进程撤消原语、阻塞原语、唤醒原语、进程挂起原语、进程激活原语、进程调度原语等。l进程通信用的原语。这类原语是用于实现进程之间通信的，如，消息发送原语、消息接收原语等。l资源互斥与同步用的原语。系统中的许多资源一次只能供一个进程使用，为了达到资源互斥访问的目的，系统需要设一组解决此类问题的原语。其中主要有P操作原语和V操作原语。l资源管理用的原语。主要有请求资源的原语和释放资源的原语。下面讨论各个控制进程状态装换的原语（1）何时执行？（2）如何执行？3.3.1进程创建与撤消原语1.进程创建原语何时？有以下4种事件会导致创建原语运行：•批作业调度。批处理系统中，当系统准备增加新进程时，一个处于磁盘上的后备作业有可能被作业调度程序选中，将它创建为进程•交互作业提交。在分时系统中，一个终端用户登录到系统。操作系统将创建一个与该终端相关联的终端进程。•系统提供服务。操作系统创建一些为用户服务的进程，比如I/O进程。这类进程的优先级要高于一般应用进程。•用户需求创建子进程。现有进程根据运行需要创建一些子进程，使系统中形成了父子进程并发运行的格局。如何？进程创建原语Create_Process（）：(1)索取一个空白PCB块。(2)填入进程信息：(2)-1填入进程标识。(2)-2PCB（优先级）赋予优先级或将JCB（优先级）填入。(2)-3PCB（内存地址）请求分配内存或JCB（内存地址）或父进程的内存地址填入。(2)-4PCB（资源清单）请求分配设备或JCB（资源清单）或父进程资源填入。(2)-5PCB（家族信息）用户名或父进程名。(2)-6PCB（现场信息）初始状态数据。(2)-7PCB（进程状态）“就绪”。(3)挂入就绪队列。(4)若需要将程序代码和数据集装入内存，可启动加载程序。2.进程撤销原语何时？进程撤销是进程创建的反过程。通常，有下列事件会导致进程撤消。（1）进程自行终止。（2）用户或父进程的原因使进程终止。（3）运行超时而终止（4）运行出错而终止。如何？进程终止原语Destroy（id_name）：（1）根据id_name查找被终止进程的进程控制块PCB。(2)若该进程的状态是“运行”，则置调度标志为TRUE。(3)回收PCB（资源清单）中登记的全部资源。(4)将进程的PCB从所在队列摘下来，等待其它程序来搜集信息。（5）对于该进程的所有子进程Sub，递归调用End_Process（Sub），将子进程终止。(6)如果调度标志=TRUE，启动进程调度程序。3.3.2阻塞与唤醒原语1.进程阻塞原语何时？当处于运行状态的进程需要等待某一事件时，由于运行受阻无法继续下去，该进程需要通过中断服务请求进入系统。系统按照进程的需求进行适当处理后，启动“进程阻塞原语”将该进程阻塞起来。引起进程阻塞（也就是运行受阻）的原因：►等待I/O►请求资源得不到满足►进程同步约束►服务进程无服务任务如何？阻塞原语Block（）可以描述为下述过程：j:=GetInternalname()；Remove(RunQueue,j)；//从运行队列上摘下jj(进程上下文):=CPU现场信息；j(状态):=“Blocked”；Insert(BlockQueue,j)；//将j插入阻塞队列上Scheduler()；//运行调度程序结束2．进程唤醒原语何时？当系统发生某一个事件时，正在等待该事件的进程需要立即被唤醒，由“阻塞”状态转为“就绪”状态。引起进程唤醒的原因源自进程的阻塞原因有：所等的I/O操作已完成。请求的资源得到了满足。进程同步约束已撤消。服务进程收到新的任务。如何？唤醒原语Wake_up（）的功能过程：(1)将当前进程的上下文保存到系统栈中。(2)从阻塞队列上查找等待该事件的进程PCB。(3)将PCB从阻塞队列上摘下来。(4)将其状态置为“就绪”