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第二章 进程管理

第二章 进程管理. 2.1 进程的基本概念. 2.1.1 程序的顺序执行及其特征. 1. 程序的顺序执行 S 1 : a∶=x+y; S 2 : b∶=a-5; S 3 : c∶=b+1;. 2.1.1 程序的顺序执行及其特征. 2. 程序顺序执行时的特征. 顺序性： (2) 封闭性： (3) 可再现性：. 2.1.2 前趋图. 前趋图 (Precedence Graph) 是一个有向无循环图，记为 DAG(Directed Acyclic Graph) ，用于描述进程之间执行的前后关系。

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第二章 进程管理

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  1. 第二章 进程管理

  2. 2.1 进程的基本概念 2.1.1 程序的顺序执行及其特征 1. 程序的顺序执行 S1: a∶=x+y; S2: b∶=a-5; S3: c∶=b+1;

  3. 2.1.1 程序的顺序执行及其特征 2. 程序顺序执行时的特征 • 顺序性： • (2) 封闭性： • (3) 可再现性：

  4. 2.1.2 前趋图 前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的前后关系。 结点：一个程序段或进程，乃至一条语句 有向边：偏序或前趋关系 把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node) 没有后继的结点称为终止结点(Final Node) 每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。

  5. 2.1.2 前趋图 前趋图中必须不存在循环

  6. 2.1.3 程序的并发执行及其特征 1. 程序的并发执行 使一个程序分成若干个可同时执行的程序模块（结点）的方法称为并发程序设计，能够并发执行的程序称为并发程序。

  7. 2.1.3 程序的并发执行及其特征 S1: a∶=x+2 S2: b∶=y+4 S3: c∶=a+b S4: d∶=c+b 1. 程序的并发执行

  8. 2.1.3 程序的并发执行及其特征 2. 程序并发执行时的特征 1) 间断性 2) 失去封闭性 3) 不可再现性

  9. 2.1.4 程序并发执行的条件（保持可再现性） 定义读集、写集 读集： 指程序 在执行期间所需参考的所有变量的集合 写集： 指程序 在执行期间要改变的所有变量的集合 Bernstein条件： 若两个程序P1和P2满足： 则程序P1和P2能并发执行，具有可再现性。 此条件也可描述为：两段程序间无共享变量或对共享变量仅有读操作

  10. 进程控制信息 PCB 程序入口点 程序 分支指令 地址值增加 访问数据 数据 当前栈顶 栈 进程映象 2.1.4 进程的特征与状态 1. 进程的特征和定义 1) 结构特征 2) 动态性 3) 并发性 4) 独立性 5) 异步性 进程最基本的特征 由创建而产生、由调度而执行、 由撤销而消亡 进程的重要特征 也是OS的重要特征 进程实体是一个能独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位

  11. 进程定义： (1) 进程是程序的一次执行。 (2) 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。 (3) 进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。 在引入了进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位”。

  12. 2.1.4 进程的特征与状态 2. 进程的三种基本状态 1、Ready (runnable; temporarily stopped to let another process run) 2、Running (actually using the CPU at that instant) 3、Blocked (unable to run until some external event happens)

  13. 进程的三种基本状态的转换 Scheduler picks this process Input becomes available Ready Scheduler picks another process Running Blocked Process blocks for input

  14. 2.1.4 进程的特征与状态 3. 挂起状态 ★ 引入挂起状态的原因 （1）终端用户的请求。 （2）父进程请求。 （3）负荷调节的需要。 （4） 操作系统的需要。

  15. 2.1.4 进程的特征与状态 ★进程状态的转换 • 活动就绪→静止就绪。 • (2) 活动阻塞→静止阻塞。 • (3) 静止就绪→活动就绪。 • (4) 静止阻塞→活动阻塞。

  16. 引入挂起状态的进程状态转换图 执行 请求I/O 调度 中断 挂起 静止就绪 活动就绪 激活 唤醒 唤醒 活动阻塞 静止阻塞 挂起 激活

  17. 2.1.5 进程控制块 1. 进程控制块的作用 进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的 PCB是进程存在的惟一标志

  18. 2.1.5 进程控制块 2. 进程控制块中的信息 1) 进程标识符：进程标识符用于惟一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：内部标识符、外部标识符 2) 处理机状态 3) 进程调度信息 4) 进程控制信息

  19. 2.1.5 进程控制块 3. 进程控制块的组织方式 1) 链接方式

  20. 2.1.5 进程控制块 3. 进程控制块的组织方式 2) 索引方式

  21. 2.2 进程控制 2.2.1 进程的创建 1. 进程图(Process Graph)

  22. 2.2.1 进程的创建 2. 引起创建进程的事件 • 用户登录。 • (2) 作业调度。 • (3) 提供服务。 • (4) 应用请求。

  23. 2.2.1 进程的创建 3. 进程的创建(Creation of Progress) (1)申请空白PCB。 (2) 为新进程分配资源。 (3) 初始化进程控制块。 (4) 将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程， 便将新进程插入就绪队列。

  24. 2.2.2 进程的终止 1. 引起进程终止(Termination of Process)的事件 ★ 正常结束 ★ 异常结束 异常事件常见的有：① 越界错误 ② 保护错 ③ 非法指令 ④ 特权指令错 ⑤ 运行超时 ⑥ 等待超时 ⑦ 算术运算错 ⑧ I/O故障

  25. 2.2.2 进程的终止 1. 引起进程终止(Termination of Process)的事件 ★ 外界干预 这些干预有： ① 操作员或操作系统干预 ② 父进程请求 ③ 父进程终止

  26. 2.2.2 进程的终止 2. 进程的终止过程 (1) 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态。 (2) 若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度。 (3) 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。 (4) 将被终止进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程， 或者归还给系统。 (5) 将被终止进程(它的PCB)从所在队列(或链表)中移出， 等待其他程序来搜集信息。

  27. 2.2.3 进程的阻塞与唤醒 1. 引起进程阻塞和唤醒的事件 1) 请求系统服务 2) 启动某种操作 3) 新数据尚未到达 4) 无新工作可做

  28. 2.2.3 进程的阻塞与唤醒 2. 进程阻塞过程 进程的阻塞是进程自身的一种主动行为。 a、先立即停止执行，把进程控制块中的现行状态由“执行”改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列 b、转调度程序进行重新调度，将处理机分配给另一就绪进程，并进行切换，亦即，保留被阻塞进程的处理机状态(在PCB中)，再按新进程的PCB中的处理机状态设置CPU的环境。

  29. 2.2.3 进程的阻塞与唤醒 3. 进程唤醒过程 a、首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出 b、将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪 c、将该PCB插入到就绪队列中 d、进程调度或返回

  30. 2.2.4 进程的挂起与激活 1. 进程的挂起 首先检查被挂起进程的状态，若处于活动就绪状态，便将其改为静止就绪；对于活动阻塞状态的进程，则将之改为静止阻塞。 2. 进程的激活过程 先将进程从外存调入内存，检查该进程的现行状态，若是静止就绪，便将之改为活动就绪；若为静止阻塞便将之改为活动阻塞。

  31. 2.3 进程同步 2.3.1 进程同步的基本概念 1. 两种形式的制约关系 • 间接相互制约关系(资源共享关系) • (2) 直接相互制约关系（相互合作关系）

  32. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) 临界资源：一次只允许一个进程访问的资源

  33. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) 生产者-消费者(producer-consumer)问题： 同步关系：不允许消费者进程到一个空缓冲区去取产品；也不允许生产者进程向一个已装满产品且尚未被取走的缓冲区中投放产品。

  34. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) • int n; • int item; • int count=0;

  35. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) 可能出现的情况： 生产时——count＝n，无多余buffer可用 消费时——count＝0；无消息可用

  36. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) int n=100,count=0; void producer(void) { int item; while (TRUE) { produce_item(&item); //generate next item if (count==n) sleep(); //if buffer is full, go to sleep enter_item(item); //put item in buffer count=count+1; //increment count of item in buffer if (count==1) wakeup(consumer) //was buffer empty? } }

  37. 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) void consumer(void) { int item; while (TRUE) { if (count==0) sleep(); //if buffer is empty, go to sleep remove_item(item); //take item out of buffer count=count-1; //decrement count of item in buffer if (count==n-1) wakeup(producer); //was buffer full? consume_item(item); //print etem } }

  38. void producer(void) { int item; while (TRUE) { produce_item(&item); if (count==n) sleep(); enter_item(item); count=count+1; if (count==1) wakeup(consumer) } } void consumer(void) { int item; while (TRUE) { if (count==0) sleep(); remove_item(item); count=count-1; if (count==n-1) wakeup(producer); consume_item(item); } } 2.3.1 进程同步的基本概念 2. 临界资源(Critical Resource) 执行顺序： 1、buffer空，即count＝0； 2、consumer读取count的值，准备判断其是否为0 3、进程调度，执行producer，产生item放入buffer，使count加1；则count＝1； 4、producer判断count＝＝1，唤醒consumer，由于consumer并没有sleep，故唤醒信号无效； 5、进程调度，consumer继续执行，发现调度前读取的count值为0，sleep； 6、producer执行，buffer迟早要满，从而sleep 7、两个进程永远sleep，不再执行

  39. 2.3.1 进程同步的基本概念 竞争条件(Race Conditions) Situations like this, where two or more processes are reading or writing some shared data and the final result depends on who runs precisely when, are called race conditions.

  40. 2.3.1 进程同步的基本概念 3. 临界区(critical section) 临界区（CS）：进程中访问临界资源的那段代码 (The part of the program where the shared memory is accessed is called the critical section)

  41. 2.3.1 进程同步的基本概念 3. 临界区(critical section) 可把一个访问临界资源的循环进程描述如下： repeat critical section;  remainder section; until false;

  42. 2.3.1 进程同步的基本概念 4. 同步机制应遵循的规则 • 空闲让进。 • (2) 忙则等待。 • (3) 有限等待。 • (4) 让权等待。

  43. 互斥与同步解决方法（软件方法） • Dekker算法、Peterson算法

  44. Dekker算法 ★初步设想 定义全局变量turn，值0、1分别标志进程P0和P1可以进入CS： ◆turn=0：P0可以进入CS ◆turn=1：P1可以进入CS

  45. Dekker算法 ★初步设想 bool turn; /*共享的全局变量，BOOL类型*/ P0 P1 …… while turn≠0 do {nothing} while turn≠1 do {nothing} <CS> <CS> turn=1; turn=0; …… 忙等 busy waiting

  46. Dekker算法 ★初步设想 问题： ◆进程严格交替进入临界区。当turn=0时，P1必须等待P0进入CS执行，退出后，才能进入CS；即使此时CS空闲，不符合空闲让进 ◆任何进程在CS内或外失败，其它进程将可能因为等待使用CS而无法向前推进

  47. Dekker算法 ★改进1 使用全局共享数组flag标志CS状态： ◆flag[0]或flag[1]=ture：表示P0或P1占用CS ◆flag[0]或flag[1]=false：表示CS空闲

  48. Dekker算法 ★改进1 bool flag[2]; /*共享的全局数组，BOOL类型*/ P0 P1 …… while flag[1] do {nothing} while flag[0] do {nothing} flag[0]=true; flag[1]=ture; <CS> <CS> flag[0]=false; flag[1]=false; ……

  49. Dekker算法 设flag[0]=flag[1]=false ★改进1 bool flag[2]; /*共享的全局数组，BOOL类型*/ P0 P1 …… while flag[1] do {nothing} while flag[0] do {nothing} flag[0]=true; flag[1]=ture; <CS> <CS> flag[0]=false; flag[1]=false; …… 问题： ◆进程在CS内失败且相应的flag=ture，则其它进程永久阻塞 ◆不能实现互斥，如执行顺序: 都可进入CS，不能实现互斥，违背忙则等待

  50. Dekker算法 ★改进2 改进1：先检测CS状态 改为先置标志位

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