[第二章]进程的描述与控制

前趋图和程序执行

前趋图

表示方式

程序的顺序执行

• 程序执行具有固定的时序

• 特征：顺序性、封闭性、可再现性

程序的并发执行

• 特征：间断性、失去封闭性、不可再现性

进程的描述

进程的特征和定义

进程的特征

• 结构特征
• 进程控制块（PCB）
• 进程由程序段、数据段和进程控制块三部分组成

• 动态性
• 由创建而产生，由调度而运行，由得不到资源而阻塞，由撤销而消亡

• 并发性

• 独立性
• 进程是独立获得资源的基本单位

• 异步性（间断性）
• 各自独立，速度不可预知

程序和进程的比较

• 程序是静态的，进程是动态的;

• 程序是静态指令的有序集合，进程是系统分配调度的独立单位，能与其他进程并发执行，更能真实地描述并发，而程序不能;

• 程序可作为软件资源长期保存，进程只是一次执行过程，是暂时的，进程是结构化的，由程序和数据、PCB组成的

• 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂的；

• 一个程序可对应多个进程;

• 进程具有创建其他进程的功能，而程序没有

进程状态及转换

• 基本状态
• 就绪状态(Ready):得到CPU就可以运行
• 运行状态(Running)
• 等待/阻塞状态(Wait/Blocked)

• 转换

• 创建和终止
• 创建状态：创建PCB，分配资源，置就绪状态并插入就绪队列，全部创建过程未完成不能被调度
• 终止状态：完成等待OS善后处理，清空并归还PCB

• 挂起操作
• 目的：终端用户的需要、父进程的需要、负荷调节的需要、OS的需要
• 挂起状态：被唤出内存的状态
• 静止就绪Readys、静止阻塞Blockeds
• 非挂起状态
• 活动就绪Readya、活动阻塞Blockeda

• 根据多道程序执行的特点，进程的运行是走走停停的。因此进程的初级状态应该是执行和等待状态。
• 处于执行状态的进程占用处理机执行程序，
• 处于等待状态的进程正在等待处理机或者等待其它某种事件的发生。

• 但是，当处理机空闲时，并不是所有处于等待状态的进程都能放到处理机上执行，有的进程即使分配给它处理机，它也不能执行，因为它的执行条件没有得到满足。因此，将等待状态的进程分成两部分:
• 一部分是放在处理机上就能立即执行，这就是就绪的进程；
• 另一部分是仍需等某种事件发生的进程，即使放在处理机上也不能执行的进程，这就是阻塞进程。

• 相同点：它们都没有占用处理机。

• 不同点：
• 挂起状态的进程是处于一种静止状态，不会参与对资源的竞争，在解除挂起之前，进程不会有新的资源要求，也不会有占用处理机的机会；
• 阻塞状态和就绪状态的进程均处于活动状态，它们都有获得处理机的机会，都可能有新的资源要求。

进程管理的数据结构

1. 程序数据块（PCB）
1. PCB的作用
• 作为独立运行的基本单位的标志
• 能实现间断性运行方式
• 提供进程管理所需要的信息
• 提供进程调度所需要的信息
• 实现与其他进程的同步与通信
2. 进程控制块中的信息
• 进程标识符：内部标识符、外部标识符
• 处理机状态：通用寄存器、程序计数器、程序状态字、用户栈指针
• 处理机调度信息：进程当前状态、进程优先级、调度所需其他信息、等待事件
• 进程控制信息：程序和数据地址、进程同步和通信机制、资源清单、PCB链接指针
• 进程控制块中断组织方式
• 线性：PCB表



• 链接方式组织：PCB队列
• 就绪队列：按进程优先级进程的PCB排在队列前面。优先级将其PCB从高到低排列
• 阻塞队列
• 空白队列



• 索引方式组织：PCB表
• 就绪索引
• 阻塞索引

进程控制

创建进程

进程层次结构

• OS运行一个进程创建另一个进程

进程图

• 有向树，结点代表进程

引起创建进程的事件

1. 用户登陆

2. 作业调度

3. 提供服务

4. 应用请求：用户自己创建的新进程

创建进程过程

• 申请空白PCB

• 为新进程分配资源

• 初始化PCB

• 插入就绪队列

创建进程原语:create

终止进程

引起进程终止的原因

• 正常结束

• 异常结束

• 外界干预

终止步骤

• 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，读出进程状态若为执行态

• 终止执行，置调度标志真

• 若有子孙进程，终止它们将进程所拥有的资源交给父进程或系统进程

• 移出所在队列，释放PCB

终止原语：

进程阻塞

• 期待的某事件未出现，进程调用阻塞原语将自己阻塞

阻塞原因

• 请求资源/服务得不到满足

• 启动某种操作而需同步

• 新数据尚未到达

• 无心工作可做

阻塞原语：b

进程唤醒

唤醒原因

• 系统服务得到满足

• I/O完成

• 新数据到达

• 进程提出新请求

• 处于阻带状态的进程不可能唤醒自己

唤醒原语

进程挂起

挂起原语

进程激活

• 阻塞唤醒由OS自动实现

• 挂起和激活可由用户干预

进程通信

分类

低级通信

• 交换信息量少

• 缺点：效率低、不透明

高级通信

• 交换信息量多

• 优点：使用方便，可用通信原理，对用户透明，效率高

• 类型
• 共享存储器
• 共享存储结构：通过公用数据结构交换信息，低效不透明
• 共享存储区：系统中共享存储区，高效，速度快
• 管道通信（共享文件方式）
• 管道：连接一个读进程和写进程的共享文件（pipe文件）
• 功能：大量的数据发收
• 消息传递系统
• 信息单位：不借助数据结构或存储区，以格式化的消息（message）为单位
• 分为直接通信方式、间接通信方式—信箱通信
• 实现：一组通信命令（原语），具有透明性
• 客户机服务器
• 网络环境的主流通信
• 套接字（Socket）
• 远程过程调用
• 远程方法调用

直接消息传递系统

• 对称寻址方式
双方显示提供对方的标识符

• 非对称寻址方式
接收与多个发送进程通信

• 进程同步方式
• 发送接收都阻塞：用于紧密同步，都无缓冲区，来消息时传递
• 发送不阻塞，接收阻塞：发送进程发来消息时唤醒
• 发送接收都不阻塞：发生某个事件，无法运行才阻塞

• 通信链路：显示、隐式

间接通信方式

• 优点:非实时通信

信箱结构

• 信箱头

• 信箱体

信箱通信原语

• send(MailBox,M)

1. 查找指定信箱

2. 若信箱未满，则把信件M送入信箱且唤醒“等信件”者

3. 若信箱满，则置发送信件进程为“等信件”状态

• receive(MailBox,X)

1. 查找指定信箱

2. 若信箱中有信，则取出一封信于X中且唤醒“等信箱”者

3. 若信箱中无信，则置信箱进程为“等进程”状态

信箱类型

• 私用信箱

• 公用信箱

• 共享信箱

线程的概念

• 基本不拥有系统资源

• 同属一个进程的其他线程共享进程中的全部资源

• 线程可以创建撤销线程

线程和进程区别

线程的状态与线程控制块

线程状态

• 就绪、运行、阻塞

• 线程控制块TCB

多线程OS中的进程属性

• 进程不是可执行的实体

• 多线程可并发执行

• 进程是拥有资源的基本单位

单线程进程模型

多线程进程模式

线程和进程对应关系

• 1：1，每一个线程有自己的地址空间和资源的唯一进程：UNIX

• M：1 进程定义了拥有的地址空间和动态资源 ：WINDOWS NT

线程的实现

两类基本实现

• 内核支持线程
• 内核实现
• 优点：同时调度同一进程的多个线程。阻塞是线程一级的。具有很小的数据结构，切换快，开销小。
• 缺点：同一进程内线程切换调用内核，速度下降
• 在线调度和管理在内核实现

• 用户级进程‘
• 不用系统调用实现
• 应用程序完成所有的线程管理
• 通过线程库实现
• 优点：不需转到核心态，快速，可以在一个不支持线程的OS实现，调度是应用程序特定的
• 缺点：调用阻塞问题，不能利用多处理机

组合方式

• 线程创建在用户空间、内核空间完成

• 大量线程调度和同步在用户空间完成

• 程序员可以调整KLT数量

• 可以取两者最好的

多对一

一对一

• windows 98

多对多

• windows NT

课后题