n操作系统的基本是并发与共享，这就会引起 一系列的问题，包括：对资源的竞争、运行 程序之间的通信、程序之间的合作与协同等 。n要解决这些问题，用程序的概念已经不能描 述程序在内存中运行的状态，必须引人新的 概念进程。2.3 进程及其实现Date1第三章 进程的描述与控制计算机出现以来，“程序”是使用广泛的一个概念 ，在多道程序设计技术出现之前，程序是顺序执行的 。 1.程序的顺序执行 例：在系统中有n个作业，每个作业都有三个处理步骤： 首先输入用户的程序和数据（Ii），然后进行计算（Ci ），最后将结果打印出来（Pi ）。在计算机系统中只有一个程序在运行，这个程序独 占系统中所有资源，其执行不受外界影响。一道程序 执行完后另一道才能开始。一、进程的概念Date2第三章 进程的描述与控制程序顺序执行的特点n顺序性：处理机严格按照程序所规定的顺序执行， 即每个操作必须在下一个操作开始之前结束。n封闭性：程序一旦开始执行，其计算结果不受外界 的影响，因为一道程序独占系统资源，所以当程序 的初始条件给定之后，其后的状态只能由程序本身 确定，即只有本程序才能改变它。n可再现性：程序的结果与它的执行速度无关（即与 时间无关），即只要程序的初始条件相同，它的执 行结果是相同的，不论它在什么时间执行，也不管 计算机的运行速度。Date3第三章 进程的描述与控制2.程序的并发执行n为增强系统处理能力和提高资源利用率，现 代操作系统普遍采用多道程序设计技术，多 道程序设计技术一个重要特点就是程序并发 执行。n例：在系统中有n个作业，每个作业都有三 个处理步骤，输入数据、处理、输出。有些 操作必须在其它操作之前执行，这是有序的 ，但有些操作是可以同时执行的。Date4第三章 进程的描述与控制nI1、C1、P1的执行 必须严格按照顺序 ，而P1与I2，C1与 I2,I3与P1是可以同 时执行的。Date5第三章 进程的描述与控制（1）程序的并发执行：是指若干个程序同时 在系统中执行，这些程序的执行在时间上是 重叠的，一个程序的执行尚未结束，另一个 程序的执行已经开始，即使这种重迭是很小 的，也称这几个程序是并发执行的。并发与并行概念的区别？ Concurrency，parallel Date6第三章 进程的描述与控制（2）程序并发执行的描述cobeginS1;S2;S3;.;SNcoend;Si(i=1,2,3,.,n)表示n个语句（程序段 ），这n个语句用cobegin和coend括起来表 示这n个语句是可以并发执行的。co是 concurrent的头两个字符。这是Dijkstra提出的。Date7第三章 进程的描述与控制例：有一个程序由 S0Sn+1个语句， 其中 S1Sn语句是并 发执行的，程序如下 ：S0;cobeginS1;S2;S3;.;SNcoend;Sn+1;Date8第三章 进程的描述与控制（3）程序并发执行的特点n间断性：程序并发执行时，共享资源，致使它 们之间相互制约，导致并发程序执行过程“走 走停停”，具有“执行-暂停-执行”这种间断 性的活动规律。n失去封闭性：多个程序并发执行，共享系统资 源，因而资源的状态由多个程序来改变，致使 程序的运行失去了封闭性。这样，某程序执行 时，必然受其他程序影响。n不可再现性：Date9第三章 进程的描述与控制例：两个程序A和B，共享一个变量N（初值为1）。程序A：N+；程序B：P（N）；N=0；程序A和B并发执行。可能出现下述三种情况： N值 （1）N+； P（N）；N=0； （2，2，0） （2）P（N）；N=0；N+； （1，0，1） （3） P（N）； N+； N=0； （1，2，0）Date10第三章 进程的描述与控制n由于并发程序的上述这些特点，使得系统中 的活动以及各种活动之间的相互关系非常复 杂。因此，“程序”这个静态的概念已不能如实地反映系统中的活动情况。为对并发执行 的程序加以描述和控制，现代操作系统引入 了进程的概念。Date11第三章 进程的描述与控制3.进程的概念进程的概念是60年代初首先由麻省理工学 院的MULTICS系统和IBM公司的TSS/360系统提 出和实现的。进程是操作系统中最基本、最重要的概 念之一，它对理解、描述和设计操作系统都 具有非常重要的意义。Date12第三章 进程的描述与控制（1）进程的定义进程有很多各式各样的定义，如： n程序在处理机上执行时所发生的活动称为进程（Dijkstra ）n一个具有一定功能的程序关于某个数据集合的一次运行活 动。n进程是一个程序与其数据在处理机上执行时所发生的活动 ，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。n本书将进程定义为：进程是可并发执行的程 序在某个数据集合上的一次计算活动，也是 操作系统进行资源分配和调度的基本单位。 Date13第三章 进程的描述与控制（2） 进程与程序的联系与区别 程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的 含义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机 上的一次执行过程，它是一个动态的概念。 程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是 有一定生命期的。程序是永久的，进程是暂时的。注：程序可看作一个菜谱，而进程则是按照菜谱进行烹调的过程。 进程和程序组成不同：进程是由程序、数据和进 程控制块三部分组成的。 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程 序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包 括多个程序。例子：光盘（程序） 放光盘的活动（进程）Date14第三章 进程的描述与控制（3）进程的特征n动态性：进程是程序的执行，同时进程有生命周期。n并发性：多个进程可同存于内存中，能在一段时间 内同时执行。n独立性：资源分配和调度的基本单位。n制约性：并发进程间存在制约关系，造成程序执行 速度不可预测性，必须对进程的并发执行次序、相 对执行速度加以协调。n结构特征：进程由程序块 、数据块、进程控制块 三部分组成。Date15第三章 进程的描述与控制二、 进程的状态及转换1.进程的三种基本状态 进程在系统中的活动规律：进程的三种基本状态：运行态就绪态等待态（又称阻塞态）执行 暂停 执行Date16第三章 进程的描述与控制（2）就绪状态(ready)n当一个进程已经准备就绪，一旦得到CPU，就可 立即运行，这时进程所处的状态称为就绪状态。 系统中有一个就绪进程队列，处于就绪状态进程 按某种调度策略存在于该队列中。（1）运行态(running)n当进程得到处理机，其执行程序正在处理机上运 行时的状态称为运行状态。n在单CPU系统中，任何时刻最多只有一个进程处 于运行状态。在多CPU系统中，处于运行状态的 进程数最多为处理机的数目。万事具备，只欠CPUDate17第三章 进程的描述与控制(3)等待态（阻塞态）（Wait / Blocked ）若一个进程正等待着某一事件发生(如等待输入 输出操作的完成)而暂时停止执行的状态称为等待状 态。处于等待状态的进程不具备运行的条件，即使 给它CPU，也无法执行。系统中有几个等待进程队 列（按等待的事件组成相应的等待队列）。Date18第三章 进程的描述与控制n 进程在执行过程中，任一时刻必然处于上 述三种状态之一，进程在执行过程中其状态 将发生变化。运行态就绪态等待态选 中落 选出现等待事件等待事件结束Date19第三章 进程的描述与控制n运行 等待：等待某事件的发生（如等待I/O完成 ）n等待 就绪：事件已经发生（如I/O完成）n运行 就绪：时间片到（例如，两节课时间到， 下课）或出现更高优先级进程，当前进程被迫让出 处理器。n就绪 运行：当处理机空闭时，由调度（分派） 程序从就绪进程队列中选择一个进程占用CPU。上述三种状态是进程最基本的状态，在实际 的操作系统实现中，进程远不止这三种状态。Date20第三章 进程的描述与控制2.进程五态模型及其转换运行 态就绪 态等待 态选 中落 选出现等待 事件等待事件 结束新建 态终止 态Date21第三章 进程的描述与控制进程为什么要有“挂起”状态?由于系统不断创建进程，系统资源特 别是主存已不能满足进程运行要求，此时 必须将某些进程挂起（suspend），置于 磁盘对换区，释放其所占资源，暂时不启 用低级调度，起到平滑负载的目的。3.具有挂起功能的进程状态及其转换Date22第三章 进程的描述与控制挂 起等待事件结束出现 等待 事件解 除 挂 起挂 起落 选选 中运行 态就绪态等待事件结束终止 态新建态挂起就 绪态解 除 挂 起挂 起挂起等 待态等待态提 交提 交Date23第三章 进程的描述与控制三、进程的描述和组成1.进程映象 进程内容及其状态集合称为进程映像。包括：n进程控制块：每个进程有一进程控制块，用 来存储进程的标识信息、现场信息和控制信 息。n程序块：n核心栈：每个进程捆绑一个核心栈，进程在 核心态工作时，用来保存中断/异常现场等。n数据块：存放程序私有数据，用户栈也在数 据块中开辟。 Date24第三章 进程的描述与控制2.进程上下文n操作系统中把进程物理实体和支持进程运 行的环境合称为进程上下文。n进程在其当前上下文中运行，当系统调度 新进程占有处理器时，新老进程随之发生 上下文切换。即保存老进程状态而装入被 保护了的新进程的状态，以便新进程运行.Date25第三章 进程的描述与控制进程上下文组成n用户级上下文：由正文（程序）、数据、共 享存储区、用户栈组成，占用进程的虚地址 空间。n存器上下文：由程序状态字寄存器、指令计 数器、栈指针、控制寄存器、通用寄存器等 组成。n系统级上下文：由进程控制块、主存管理信 息（页表或段表）、核心栈等组成。Date26第三章 进程的描述与控制3. 进程控制块（Process Control Block，PCB）n每个进程有且仅有一个进程控制块nPCB是操作系统用于记录和刻划进程状态及有 关信息的数据结构，是操作系统掌握进程的 唯一资料结构。n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n进程与PCB是一一对应的,在创建进程时，建 立PCB，并伴随进程运行的全过程，直到进程 撤消而撤消。PCB就象我们的户口。Date27第三章 进程的描述与控制PCB的内容 标识信息n进程标识ID：唯一，通常是一个整数n进程组标识IDn用户进程名n用户组名 现场信息n寄存器内容（通用寄存器内容、控制寄存器内容、栈指 针等） 控制信息n进程调度信息：如进程状态、等待时间、等待原因、进 程优先级、队列指针等n进程组成信息：如正文段指针、数据段指针、进程族系 信息n进程间通信信息：如消息队列指针、所使用的信号量和 锁n进程段、页表指针、进程映像在辅存地址nCPU的占用和使用信息：如时间片剩余量、已占用CPU时 间、已执行时间总和、定时器信息、记账信息n进程特权信息：如主存访问权限、处理器特权n资源清单：所需全部资源、已分得资源Date28第三章 进程的描述与控制4. 进程队列及其管理n处于同一状态的所有PCB组织在一起的数据 结构称为进程队列。例如运行队列、就绪队 列、等待队列。 n同一状态进程的PCB既可按先来先到的原则 排成队列;也可按优先数或其它原则排成队 列。n通用队列组织方式：线性方式链接方式索引方式Date29第三章 进程的描述与控制（1）线性方式nOS根据进程的最大数目，静态分配主存中 某块空间，所有进程的PCB都组织在一个线 性表中。优点：简单易行；缺点：限定了系统中进程最大数，经常要扫描整个线性表，调度效率较 低。Date30第三章 进程的描述与控制（2）链接方式n相同状态的进程PCB通过链接指针链接成一个队列。n不同状态的进程可排成不同的队列，如运行队列、 就绪队列、等待队列。等待队列按等待