华工软件基础第3章_操作系统_第3节_进程及进程管理

整型变量 表征当前可用临界资源的数量； 队列 q 用于存放等待访问该临界资源的进程。
通过对信号灯的P、V操作，进程可以实现相互间 的互斥。
什么是P、V操作？
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P、V操作的含义及实现
P操作表示对资源的申请
P操作的主要内容： 信号灯量 s 值减1;判断s值: • 若 s ≥0，则进程继续执行; • 否则，挂起该进程（即阻塞 该进程），将其插入到信号 灯的等待队列中，然后转入 进程调度。 挂起进程包括：保留CPU现 场；进程臵“等待”状态。
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多进程共享外部设备 •例如：打印机共享 多进程共享公共变量 •例如：飞机订票系统中各个订票点对机票库的访问
进程A ：旅行社A的订票业务 旅行社A查到该机有座位； …… 与顾客商量； …… 旅行社A预订该机座； 进程B ：旅行社B的订票业务 旅行社B查到该机有座位； …… 与顾客商量； …… 旅行社B预订该机座；

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讨论：进程和程序这两个概念有什么区别？
类似于乐曲与乐曲的一次演奏之间的关系。 程序
静态的概念 不是独立的运行单位 不是资源竞争的基本单位 一个程序可对应多个进程
进程
动态的概念 独立的运行单位，能并行活动 是处理机调度、竞争资源的基本单位 不同的进程可以对应同一程序
从微观上看，多个进程轮换占有处理机；从宏 观上看，多个进程是并发运行的。
3.2 进程的组成及进程控制块(PCB)
一个进程包含4个组成部分： •程序——描述进程要完成的功能的指令序列； •数据——程序加工的对象； •工作区——程序执行使用的内存区域，如用户栈或系 统栈； •进程控制块——存放进程控制和管理信息的数据结构。
进程控制块（ PCB ，Process Control Block）是进程存在的 标志！是进程的“档案袋”，用于记录和描述进程的动态过程。 在创建进程时建立PCB，在撤消进程时删除相应的PCB。 在每个进程的生命周期内，操作系统通过对其PCB的管理来 实现对该进程的管理。
前推进；
结构性：每个进程有一个PCB结构来描述。
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3.3 进程控制(进程管理）
（1）进程控制 对系统中的进程实施有效的管理和控制，具体表 现为控制进程进入不同的状态。
•进程创建、撤销等 •进程的同步和互斥 •进程通信 就绪
新进程 运行
结束
等待

进程管理属于处理机二级调度中的微观调度！
如果不对进程进行互斥控制，则 临界资源的使用将混乱不堪！
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进程如何互斥地进入临界区?
... ... 进入区
临界区
改变临界 资源状态 释放资源 并唤醒等 待进程
... ... 进入区
临界区
等待临界 资源释放
退出区 ... ...
进程 1
退出区 ... ...
进程 2
互斥原则
每次至多有一个进程处于临界区。 进程在临界区内仅逗留有限的时间。 进程间不应相互堵塞而致使彼此都不能进入临界区。
从局部看，每个进程是按其程序串行进行的， 从整体看，多个进程是并发进行的。
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3.1 进程的基本状态及状态变迁
（1）进程的三种基本状态 就绪状态(ready) ——存在于处理机调度队列中的 那些进程，它们已经准备就绪，一旦得到CPU，就可 以立即运行，这些进程所处的状态称为就绪状态。 运行状态(running) ——当进程得到处理机控制权 时，它的程序正在处理机上运行，该进程所处的状 态为运行状态。 等待状态(wait) ——若一个进程因等待着某一事件 发生（如等待输入输出操作的完成）而暂时停止执 行，这时，即使给它CPU时间，它也无法执行，则 称该进程处于等待状态（又可称为阻塞状态或挂起 状态）。
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（2）进程状态的变迁及原因
进程随着自身的推进和外界条件的变化而从 一个状态变换为另一个状态称为状态变迁。
运行
时间片到
进程调度
就绪
状态变迁及引发原因
× ×
服务请求 (请求I/O等)
等待
服务完成/事件来到
就绪运行：进程获得处理机(进程调度) 运行就绪：进程被剥夺处理机(时间片、优先级) 运行等待：进程申请资源未得到，请求服务(启动IO) 等待就绪：进程得到资源，服务得到响应(IO结束) 第 12 页
word, foxmail UNIX系统： vi, shell
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关于进程的特点
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，进程在生存期内的
状态动态变化；
独立性：进程是可调度的基本单位； 交互性：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
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1. 程序的顺序执行和并发执行
1）程序的顺序执行
一个计算过程通常由若干个简单的操作所组成，如 果这些操作必须按某种先后次序来执行，那么这样一 类计算过程称为程序的顺序执行过程，这类程序称为 顺序程序。 程序顺序执行的特征 顺序性：顺序程序的各个操作是顺序执行的。 封闭性：程序一旦开始执行，其计算结果不受 外界因素的影响。 可再现性：初始条件不变的情况下，程序多次 执行的结果一样。
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实现两个进程互斥的例子
问题：x代表某航班机座号，p1和p2代表两个售票进程，售票 工作是对变量x加1。试用信号灯的P、V操作实现这两个进程 的互斥。 这里的变量 x 为临界资源。设：mutex为互斥信号灯，初值 为1，表示初始状态下没有进程访问变量 x ； p1( ) { …… p(mutex)； x:=x+1 ； v(mutex)； …… } }
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进程控制块（PCB）是纪录进程动态特性、运行控制
等信息的数据结构。其内容包括（不同系统不尽相同）
进程标识符pid CPU现场(程序状态字、寄存器内容等)
动态特性
进程当前状态（运行、就绪或等待） 优先级 资源清单（已占用的资源情况） 通信机制（信箱或消息队列） 同步、互斥机构（信号灯）
t4
程序并发执行的特征：
失去了程序的封闭性和可再现性 程序与计算不再一对应：同一程序可被多个任务共享 程序并发执行的相互制约（协同操作）
例：共享变量n的两个程序段并发执行的算法。 main() { int n=0; cobegin p1: while (A的任务未完成) { …; n++; … ; } p2: while (B的任务未完成) { …; printf (＂N IS % d＼n＂,n); n=0; … ; } coend 程序执行结果与 …; } 执行顺序有关！ 问题：这个程序的执行可能产生哪些结果？
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并发 vs. 并行
并发：concurrent
多个任务宏观上同时，微观上“交替执
行”(交替占有CPU)，不要求有多个处理 器（CPU）。 多道程序设计技术
并行：parallel
多个任务微观上同时执行(同时占有不同
CPU)，要求有多个处理器。 “并行计算机”、“并行算法”
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2. ―进程”概念的引入
单机系统中的多个应用程序的并发活动。
并发程序的描述方式： cobegin S1; S2; …; Sn; coend 表示程序段S1，S2，…，Sn可以并发执行。
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多道程序并发执行时的先后次序图
输入 设备 I1 I2 I3
处理机
C1
C2
C3
打印机 t1 t2
P1 t3
P2
P3 t5
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运行队列???
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关于进程类型
系统进程
运行操作系统程序，完成系统管理 (服务)功能。
例如： Windows系统： system, svchost UNIX系统： #0 -- sched, #1 -- init
用户进程
运行用户(应用)程序，为用户服务。例如： Windows系统：
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（2）进程控制的实现
进程的控制动作由操作系统完成；操作系统提供 相应的原语以备调用。
原语操作（原子操作）：执行时不可中断的系统调 用 （3）进程控制原语

进程创建——创建一个新进程
进程撤消——撤消一个已完成任务的进程
进程阻塞——使处于运行状态的进程变为等待 状态 进程唤醒——唤醒一个等待进程，使其进入就绪状态
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（2）进程的同步
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4. 进程的互斥与同步
（1）进程的互斥
反映了进程间的竞争与合作
临界资源——一次仅允许一个进程使用的资源称为 临界资源。许多物理设备（如打印机等）和软件资 源（如变量、数据、队列等）都具有这种独占性的 特点，属于临界资源。
临界区——在进程中访问临界资源的那段代码称为 临界区。 注意区分临界资源与临界区这两个概念！ 互斥——当一个进程正在访问某临界区时，不允许 其它进程进入其相应的临界区，这种相互制约的关 系称为互斥。
第3节 进程及进程管理
本节学习内容与要求： 1. 理解和掌握程序的顺序执行和并发执行概念； 2. 理解和掌握进程的概念（与程序的区别）；理解 进程控制块(PCB)的概念及作用； 3. 学习和掌握进程的互斥与同步概念及其实现；
4.学习和了解进程通信的基本方式；
5.学习和理解线程的概念； 6.学习和理解死锁的概念及处理方法。
运行控制
Process Control Block
队列指针、家族关系
程序存储位臵
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关于进程队列
PCB构成的队列类型：
head
PCB
PCB
……
PCB
1. 总链队列：只有一个(由系统当前所有PCB构成) 2. 就绪队列：有一个或若干个（由调度算法决定） 3. 等待队列：每种等待事件都有一个(如等待使用 打印机的多个进程构成一个等待队列)