第二章 进程、线程与作业,2.1 多道程序设计 Multi-programming 2.2 进程的引入 Process 2.3 线程与轻进程 Thread and light-weighted process 2.4 作业 Job,Active objects,2.1 多道程序设计,2.1.1 单道程序设计的缺点 2.1.2 多道程序设计的提出 2.1.3 多道程序设计的问题,Multi-programming,多道程序设计目标,提高系统效率(吞吐量),2.1.1 单道程序设计的缺点,处理机利用率低 设备利用率低 内存利用率低,运行程序A,CPU,设备1,运行程序A,t,t1,t2,t5,t6,设备2,2.1.2 多道程序设计的提出,CPU,设备1,程序A,t,t1,t2,t5,t6,设备2,程序B,提高处理机、设备、内存等各种资源的利用率，从而提高系统效率。,程序A,t3,t4,2.1.2 多道程序设计的提出(Cont.),增加同时运行程序的道数可以提高资源利用率，从而提高系统效率，但道数应与系统资源数量相当。 道数过少，系统资源利用率低。 道数过多，系统开销(system overhead)增大，程序响应速度下降。,2.1.3 多道程序设计的问题,处理机资源的管理 程序个数处理机个数(如何分配?) 存储资源的管理 地址空间的相对独立性、共享性 内存、外存(swap space)的分配与去配 设备资源管理 分配策略 IO控制,2.2 进程的引入,2.2.1 进程的概念 2.2.2 进程状态及状态转换 2.2.3 进程控制块 2.2.4 进程的组成与上下文 2.2.5 进程的队列,2.2.6 进程的类型与特征 2.2.7 进程间相互联系与相互作用 2.2.8 进程的创建与撤销 2.2.9 进程与程序间的联系与差别,多道系统中的程序： 推进，暂停，推进，暂停，. 暂停：保存现场(PSW+PC，寄存器） 推进：恢复现场(寄存器，PSW+PC) 暂停原因：(1) 自身原因：等待资源，启动IO (2) 剥夺CPU给其它程序运行机会,2.2 进程的引入(Cont.),2.2.1 进程的概念,定义： 可参与并发执行的程序称为进程。 进程是具有一定独立功能的程序关于一个数据集合的一次运行活动。 定义强调两个方面： 动态：执行中的程序; 并发：可与其他进程同时执行。,并发 vs. 并行,并发：concurrent 宏观同时，“交替执行”，不要求多个CPU 并行：parallel 微观同时，要求多个CPU “并行算法”,2.2.2 进程状态及状态转换,2.2.2.1 进程状态(基本状态) 运行态(RUN): 占有CPU正在向前推进 就绪态(READY): 可以运行，但未得到CPU 等待态(WAIT): 等待某一事件发生 2.2.2.2 状态转换 就绪运行：获得处理机 运行就绪：剥夺处理机 运行等待：申请资源未得到，启动IO 等待就绪：得到资源，IO中断,就绪,等待,运行,获得处理机,剥夺处理机,等待事件,事件发生,2.2.2.2 进程状态转换图,Keep in Mind,进程状态转换由操作系统完成，对用户是透明的； 进程在其生存期内经过多次状态转换，体现了进程的动态性和并发性。,2.2.3 进程控制块(PCB),标志进程存在的数据结构，其中保存系统管理进程所需的全部信息 PCB内容：(不同系统不尽相同) 进程标识(pid) 家族联系 进程状态 地址信息 现场信息 打开文件 调度参数 消息指针 所属用户(uid) 队列指针,Process Control Block,2.2.4 进程的组成与上下文,进程的组成 进程控制块(process control block) 建立进程建立PCB 撤销PCB撤销进程 程序 代码(code) 数据(data) 堆栈(stack+heap) 栈：保存返回点、参数、返回值、局部变量 堆：动态变量,2.2.4 进程的组成与上下文,进程的表记,PCB,程序,PCB,代码,数据 + 堆栈,表记1,表记2,系统空间,用户空间,定义：进程的程序(代码和数据)称为进程影像(Process Image)。,2.2.4 进程的组成与上下文,进程上下文（process context) 进程的物理实体与支持进程运行的物理环境统称为进程上下文 PCB+程序 系统环境：地址空间，系统栈，打开文件表， 上下文切换（context switch) 由一个进程的上下文转到另外一个进程的上下文 系统开销（system overhead) 运行操作系统程序完成系统管理工作所花费的时间和空间,2.2.5 进程的队列,1. 就绪队列：系统一个或若干个（根据调度算法确定） 2. 等待队列：每个等待事件一个 3. 运行指示字：每个处理机一个,PCB构成的队列：（不一定FIFO，单向或双向）,进程队列模型,等待队列1,等待队列2,等待队列n,CPU,创建,完成,时间片用完,等待事件1,等待事件2,等待事件n,事件1发生,事件2发生,事件n发生,2.2.6 进程的类型与特征,进程类型 系统进程 运行操作系统程序，完成系统管理(服务)功能. 例如：UNIX #0 - sched, #1 - init 用户进程 运行用户(应用)程序，为用户服务。 例如：UNIX vi, shell, cc,2.2.6 进程的类型与特征(Cont.),进程的特征 并发性：可以与其它进程一道向前推进； 动态性：动态产生、消亡，生存期内状态动态变化； 独立性：一个进程是可以调度的基本单位； 交往性：同时运行的进程可能发生相互作用； 异步性：进程以各自独立，不可预知的速度向前推进； 结构性：每个进程有一个PCB。,2.2.7 进程间相互联系与相互作用,相互联系 相关进程 同一家族的进程 可以共享文件，需要相互通讯，协调推进速度 父进程可以监视子进程，子进程完成父进程交给的任务。 无关进程 没有逻辑关系、同时执行的进程。 有资源竞争关系，互斥、死锁、饿死。,2.2.7 进程间相互联系与相互作用,相互作用,1. 直接相互作用：发生在相关进程之间,2. 间接相互作用：发生在任何进程之间,R,P2,P1,sync,send,receive,P1:,P2:,hold,wait,2.2.8 进程的创建与撤销,进程的创建 建立PCB，分配内存，加载程序，入就绪链 UNIX：pid=fork()，exec(prog,args) 进程的撤销 去配资源，撤销PCB，通知父进程 UNIX：exit() vs. kill 除初始进程外，其它进程由(父)进程创建，并形成进程家族。,考虑生灭的进程状态转换图,初创,终止,创建,结束,2.2.9 进程与程序的联系与差别,进程与程序的联系 进程包括一个程序 进程存在的目的就是执行这个程序 进程与程序的差别 程序静态，进程动态 程序可长期保存，进程有生存期 一个程序可对应多个进程，一个进程只能执行一个程序,2.2.10 UNIX进程组成(映像),Proc 结构,Text结构,系统空间,用户空间,User结构,系统栈,进程堆栈,进程数据,进程代码,常驻内存部分,内外存交换部分,系统空间,2.2.10 UNIX进程组成(映像),Proc结构 所保存的信息无论当进程在内存时还是在外存时都是需要的 . User结构 所保存的信息仅当进程在内存时才是需要的, 因而可以与进程的程序一起被移到外存.,struct proc char p_stat; char p_flag; char p_pri; char p_sig; /signal received char p_uid; /user id char p_time; /resident time for scheduling char p_cpu; /cpu usage char p_nice; /nice for scheduling char p_ttyp; /controlling tty int p_pid; /unique process id int p_ppid; /parent process id int p_addr; /address of swappable image int p_size; /size of swappable image (*64bytes) int p_wchan /event process is waiting int *p_textp; /pointer to text structure ,struct user int u_rsav2 int u_fsav25 char u_uid; / effective user id char u_gid; / effective group id char u_ruid; / real user id char u_rgid; / real group id int u_procp; / pointer to proc structure int *u_base; / base address for IO int *u_count; / bytes remaining for IO int *u_offset2; / offset in file for IO int *u_cdir; / pointer to inode of current dir int *u_pdir; / inode of parent directory int u_uisa16; / prototype segmentation address,int u_uisd16; / prototype segmentation descript int u_ofileNOFILE; / pointers to file struct int u_arg5; / arguments to system call int u_tsize; / text size (*64) int u_dsize; / data size (*64) int u_sszie; / stack size (*64) int u_utime; / this process user time int u_stime; / this process system time int u_cutime2; / child process user time int u_cstime2; / child process system time ,struct text int x_daddr; /disk address of segment int x_caddr; /core address if loaded int x_size; /*64 int *x_iptr; /inode of prototype char x_count; /reference count char x_ccount; /number of loaded references ,进程状态及其转换,换出,结束跟踪,结束跟踪,换入/出,换出,唤醒,fork,处理机分派,跟踪,等待,终止,置PSW,SRUN LOAD user,SRUN LO