计算机操作系统课件第2章 进程管理
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辽东学院信息技术学院
第二章 进 程 管 理
进程与程序的区别
(1)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。 (2)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。 (3)进程更能真实地描述并发，而程序不能 (4)进程包括程序和数据+PCB两部分 (5)进程具有创建其他进程的功能，而程序没有 (6)同一程序同时运行于若干个数据集合上，它将属于若干个不同 的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程
第二章 进 程 管 理
某时刻， N=9： 程序A
While(1) {
… n:=n+1; …
}
程序A得到的N值为：10
①
程序B
While(1) {
… print n; … …
}
程序B得到的N值为：10
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第二章 进 程 管 理
某时刻， N=9：
循环程序A
While(1) {
… n:=n+1; …
(2) 失去封闭性： 资源共享
S4
(3) 不可再现性： 结果不同
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第二章 进 程 管 理
不可再现性
例如，有两个程序A和B，它们共享一个变量N。程序 A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一 次时， 都要执行Print(N)操作。程序A和B以不同的速度 运行。
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2. 有没有这样的状态转换，为什么？ 阻塞—运行； 就绪—阻塞
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第二章 进 程 管 理
2.1.5 进程控制块
第二章 进 程 管 理
进程与程序的区别
(1)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。 (2)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。 (3)进程更能真实地描述并发，而程序不能 (4)进程包括程序和数据+PCB两部分 (5)进程具有创建其他进程的功能，而程序没有 (6)同一程序同时运行于若干个数据集合上，它将属于若干个不同 的进程。也就是说同一程序可以对应多个进程
第二章 进 程 管 理
某时刻， N=9： 程序A
While(1) {
… n:=n+1; …
}
程序A得到的N值为：10
①
程序B
While(1) {
… print n; … …
}
程序B得到的N值为：10
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第二章 进 程 管 理
某时刻， N=9：
循环程序A
While(1) {
… n:=n+1; …
(2) 失去封闭性： 资源共享
S4
(3) 不可再现性： 结果不同
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第二章 进 程 管 理
不可再现性
例如，有两个程序A和B，它们共享一个变量N。程序 A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一 次时， 都要执行Print(N)操作。程序A和B以不同的速度 运行。
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2. 有没有这样的状态转换，为什么？ 阻塞—运行； 就绪—阻塞
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第二章 进 程 管 理
2.1.5 进程控制块
计算机操作系统第2章进程管理
或者：可并发执行的程序在一个数据集合上 的运行过程。
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
21
程序与进程之间的区别：
• 进程更能真实地描述并发，而程序不能 • 进程是由程序和数据及PCB组成的 • 程序是静态的，进程是动态的
• 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂 的；而程序是相对长久的
• 一个程序可对应多个进程，反之亦然
12
1)间断性 共享资源 -> 相互制约 -> 执行-暂停-执行
2)失去封闭 性 一个程序的执行受到其他程序的影响
3)不可再现性
设有两个循环程序A和B共享变量N，A每次执行N+1操作， B每次执行print(N)，N置0。执行情况：
（1）N:=N+1 在print(N)和N:=0之前，得到的N值分别为n+1,
•负荷调节的需要
由活动到 静止，由 内存到外
存
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
30
2）进程状态的转换
2021/7/15
图2-12
具有挂起状态的转换图
计算机操作系统第2章进程管理
31
状态转换 (中级调度)
• 活动阻塞 -->静止阻塞 • 静止阻塞 --> 活动阻塞 • 静止就绪-->活动就绪
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
t(s) t(s)
15
（2）在并发环境下
A
CPU
DEV1
CPU
DEV2
CPU
t(s)
10
15
20
25
30
35 40
45
B
DEV1
CPU
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
21
程序与进程之间的区别：
• 进程更能真实地描述并发，而程序不能 • 进程是由程序和数据及PCB组成的 • 程序是静态的，进程是动态的
• 进程有生命周期，有诞生有消亡，短暂 的；而程序是相对长久的
• 一个程序可对应多个进程，反之亦然
12
1)间断性 共享资源 -> 相互制约 -> 执行-暂停-执行
2)失去封闭 性 一个程序的执行受到其他程序的影响
3)不可再现性
设有两个循环程序A和B共享变量N，A每次执行N+1操作， B每次执行print(N)，N置0。执行情况：
（1）N:=N+1 在print(N)和N:=0之前，得到的N值分别为n+1,
•负荷调节的需要
由活动到 静止，由 内存到外
存
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
30
2）进程状态的转换
2021/7/15
图2-12
具有挂起状态的转换图
计算机操作系统第2章进程管理
31
状态转换 (中级调度)
• 活动阻塞 -->静止阻塞 • 静止阻塞 --> 活动阻塞 • 静止就绪-->活动就绪
2021/7/15
计算机操作系统第2章进程管理
t(s) t(s)
15
（2）在并发环境下
A
CPU
DEV1
CPU
DEV2
CPU
t(s)
10
15
20
25
30
35 40
45
B
DEV1
CPU
操作系统_第二章 进程管理
– 记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构 而得名的。它所包含的上述两个数据项可描述为 ：
21
2.3.2 信号量机制
– type semaphore=record
–
value:integer;
–
L:list of process;
–
end
• 相应地，wait(S)和signal(S)操作可描述为：
15
2.3.1 进程同步的基本概念
• 虽然上面的生产者程序和消费者程序，在分别看 时都是正确的，而且两者在顺序执行时其结果也 会是正确的，但若并发执行时，就会出现差错， 问题就在于这两个进程共享变量counter。生产者 对它做加1操作，消费者对它做减1操作，这两个 操作在用机器语言实现时，常可用下面的形式描 述：
14
2.3.1 进程同步的基本概念
• producer: repeat •… • produce an item in nextp; •… • while counter=n do no-op; • buffer［in］∶ =nextp; • in∶ =in+1 mod n; • counter∶ =counter+1; • until false; • consumer: repeat • while counter=0 do no-op; • nextc∶ =buffer［out］; • out∶ =(out+1) mod n; • counter∶ =counter-1; • consumer the item in nextc; • until false;
(Atomic Operation) wait(S)和signal(S)来访问。这两 个操作一直被分别称为P、V操作。
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2.3.2 信号量机制
– type semaphore=record
–
value:integer;
–
L:list of process;
–
end
• 相应地，wait(S)和signal(S)操作可描述为：
15
2.3.1 进程同步的基本概念
• 虽然上面的生产者程序和消费者程序，在分别看 时都是正确的，而且两者在顺序执行时其结果也 会是正确的，但若并发执行时，就会出现差错， 问题就在于这两个进程共享变量counter。生产者 对它做加1操作，消费者对它做减1操作，这两个 操作在用机器语言实现时，常可用下面的形式描 述：
14
2.3.1 进程同步的基本概念
• producer: repeat •… • produce an item in nextp; •… • while counter=n do no-op; • buffer［in］∶ =nextp; • in∶ =in+1 mod n; • counter∶ =counter+1; • until false; • consumer: repeat • while counter=0 do no-op; • nextc∶ =buffer［out］; • out∶ =(out+1) mod n; • counter∶ =counter-1; • consumer the item in nextc; • until false;
(Atomic Operation) wait(S)和signal(S)来访问。这两 个操作一直被分别称为P、V操作。
第二章-进程管理 ppt课件
→,记为Pi → Pj，则Pi是Pj的直接前趋，Pj是Pi的直接后继 把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node)，把没有后继
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。
前趋图 P2
P5
P1
P3
第二章-进程管理
第二章 进程管理
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
Contents
1 前趋图和程序执行 2 进程的描述 3 进程控制 4 进程同步 5 经典进程的同步问题 6 进程通信 7 线程的基本概念 8 线程的实现
01
前趋图和程序执行
前趋图
※ 前趋图是一个有向无循环图(DAG)，用于描述进程之间 执行的前后关系
结点：描述一个程序段或进程，或一条语句 有向边：结点之间的偏序或前序关系“→” →={(Pi,Pj) Pi must complete before Pj may start}，若(Pi,Pj)
I1
C1
P1
I2
C1
P2
程序的顺序执行
对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序的 问题。如果对于下述三条语句的程序段： S1：a = x+y S2：b = a-5 S3：c = b+1
(其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同样S3也只能在b被赋值 以后才能执行)
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。
前趋图 P2
P5
P1
P3
第二章-进程管理
第二章 进程管理
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
Contents
1 前趋图和程序执行 2 进程的描述 3 进程控制 4 进程同步 5 经典进程的同步问题 6 进程通信 7 线程的基本概念 8 线程的实现
01
前趋图和程序执行
前趋图
※ 前趋图是一个有向无循环图(DAG)，用于描述进程之间 执行的前后关系
结点：描述一个程序段或进程，或一条语句 有向边：结点之间的偏序或前序关系“→” →={(Pi,Pj) Pi must complete before Pj may start}，若(Pi,Pj)
I1
C1
P1
I2
C1
P2
程序的顺序执行
对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序的 问题。如果对于下述三条语句的程序段： S1：a = x+y S2：b = a-5 S3：c = b+1
(其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同样S3也只能在b被赋值 以后才能执行)
操作系统课件 第2章 进程
第二章 进 程 管 理
对于具有下述四条语句的程序段： S1: a∶=x+2 S2: b∶=y+4 S3: c∶=a+b S4: d∶=c+b 请画出前趋关系图。
S1 S3 S2 S4
第二章 进 程 管 理
2.2 程序并发执行时的特征
1) 间断性 相互制约性)－后面的模块等待前面的模块 间断性(相互制约性 － 相互制约性 传来的结果，然后才执行（如打印模块等待 计算模块完成）。走走停停。 2) 失去封闭性 ：多个程序共享系统中的各种资源， 因而这些资源的状态将由多个程序来改变， 致使程序的运行已失去了封闭性。 结果是一个程序运行时会受到另一个程序的 结果是 影响。 3) 不可再现性 ：程序在并发执行时，由于失去了封 闭性，也将导致失去其可再现性
第二பைடு நூலகம் 进 程 管 理
新进程
接纳
就绪 时间片完 I/O完成 进程调度
阻塞 I/O请求
执行
完成
结束
图 2-5 进程的三种基本状态及其转换
(教材讲5种)
第二章 进 程 管 理
作业调度
作业后备队列
阻塞队列
外存
进程就绪队列
一些 阻塞队列
内存
处理器 (CPU)
第二章 进 程 管 理
3.7五状态 五状态进程模型 五状态
第二章 进 程 管 理
3.4进程与程序的区别 进程与程序的区别
程序是静态的， 1)程序是静态的 进程是动态的; 是根本区别） 1)程序是静态的，进程是动态的;（是根本区别） 程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。 程序是有序代码的集合；进程是程序的执行。 2)进程和程序不是一一对应的 2)进程和程序不是一一对应的 ; • 一个程序可对应多个进程 即多个进程可执行同一程序 ; 一个程序可对应多个进程,即多个进程可执行同一程序 • 一个进程可以执行一个或几个程序 3)进程是暂时的 程序的永久的：进程是一个状态变化的过程， 进程是暂时的， 3)进程是暂时的，程序的永久的：进程是一个状态变化的过程， 程序可长久保存。 程序可长久保存。 4)进程与程序的组成不同 进程的组成包括程序、 进程与程序的组成不同： 4)进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程 控制块（即进程状态信息）。 控制块（即进程状态信息）。 5)进程具有创建其他进程的功能 而程序没有。 进程具有创建其他进程的功能， 5)进程具有创建其他进程的功能，而程序没有。
计算机操作系统课件02进程管理
2) 执行状态
进程已获得CPU，其程序正在执行。在单处理机系统中，只有 一个进程处于执行状态； 在多处理机系统中，则有多个进程 处于执行状态。
3) 阻塞状态 正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放 弃处理机而处于阻塞状态，有时也称为等待状态或封锁状态。 致使进程阻塞的典型事件有：请求I/O，申请缓冲空间等。 通常将这种处于阻塞状态的进程也排成一个队列。有的系统则 根据阻塞原因的不同而把处于阻塞状态的进程排成多个队列。
当用挂起原语Suspend将该进程挂起后，该进程便转变为静止 就绪状态，表示为Readys，处于Readys状态的进程不再被调度 执行。
请求
释放
活动 阻塞
I/O
调度
活动 就绪
激活
挂起
执行
激活 挂起
静止 阻塞
释放
挂起
静止 就绪
图 2-6 具有挂起状态的进程状态图
(2) 活动阻塞→静止阻塞。当进程处于未被挂起的阻塞状态 时 ， 称 它 是 处 于 活 动 阻 塞 状 态 ， 表 示 为 Blockeda 当 用 Suspend原语挂起后，进程便转变为静止阻塞状态，表示为 Blockeds。处于该状态的进程在其所期待的事件出现后，将 从静止阻塞变为静止就绪。
在许多情况下所说的进程，实际上是指进程实体，例如，所 谓创建进程，实质上是创建进程实体中的PCB；而撤消进程， 实质上是撤消进程的PCB。
2) 动态性
进程的实质是进程实体的一次执行过程，因此，动态性是进程 的最基本的特征。
动态性还表现在：“它由创建而产生，由调度而执行，由撤消 而消亡”。
可见，进程实体有一定的生命期，而程序则只是一组有序指令 的集合，并存放于某种介质上，其本身并不具有运动的含义， 因而是静态的。
第2章 进程管理课件
八、UNIX系统的进程映像
用户态运行：执行用户态程序（在CPU上） 核心态运行：在CPU上执行操作系统程序
2、进程状态
在内存就绪：具备运行条件，只等取得CPU 在外存就绪：就绪进程被对换到外存上
在内存睡眠：在内存中等待某一事件发生 在外存睡眠：睡眠进程被对换到外存上 在内存暂停：因调用stop程序而进入跟踪暂停状态，等 待其父进程发送命令 在外存暂停：处于跟踪暂停状态的进程被对换到外存上 创建态：新进程被创建，但尚未完毕的中间状态 终止态：进程终止自己
第2章
2.3
进程管理
进程间的相互作用和通信
一、进程间的联系 3、临界资源与临界区
（4）系统对同类临界区的调度原则：
1 2 3
有若干进程要求进入临界区，一次仅允许一个进程进入。 任何时候，处于临界区的进程不可多于一个。 进入临界区的进程要在有限时间内退出， 使其它进程能及时进入。
第2章
2.3
二、锁操作法
三、信号量与P、V操作
4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题
例2.1 生产者与消费者的问题
消费者进程
生产者进程
L1：P（empty）；
P（mutex）； 将产品送往缓冲池
L2：P（mutex）；
P（full）； 从缓冲池取出产品
V（mutex）；
V（full）； goto L1；
V（mutex）；
三、信号量与P、V操作
4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题
例2.1 生产者与消费者的问题
问题是这样叙述的：有若干生产者进程P1、P2、……Pn和若 干消费者进程C1、C2、…Cm；它们通过一个有界缓冲池（即由 K个缓冲区组成）联系起来，如下图所示：
有界缓冲池 生产者
用户态运行：执行用户态程序（在CPU上） 核心态运行：在CPU上执行操作系统程序
2、进程状态
在内存就绪：具备运行条件，只等取得CPU 在外存就绪：就绪进程被对换到外存上
在内存睡眠：在内存中等待某一事件发生 在外存睡眠：睡眠进程被对换到外存上 在内存暂停：因调用stop程序而进入跟踪暂停状态，等 待其父进程发送命令 在外存暂停：处于跟踪暂停状态的进程被对换到外存上 创建态：新进程被创建，但尚未完毕的中间状态 终止态：进程终止自己
第2章
2.3
进程管理
进程间的相互作用和通信
一、进程间的联系 3、临界资源与临界区
（4）系统对同类临界区的调度原则：
1 2 3
有若干进程要求进入临界区，一次仅允许一个进程进入。 任何时候，处于临界区的进程不可多于一个。 进入临界区的进程要在有限时间内退出， 使其它进程能及时进入。
第2章
2.3
二、锁操作法
三、信号量与P、V操作
4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题
例2.1 生产者与消费者的问题
消费者进程
生产者进程
L1：P（empty）；
P（mutex）； 将产品送往缓冲池
L2：P（mutex）；
P（full）； 从缓冲池取出产品
V（mutex）；
V（full）； goto L1；
V（mutex）；
三、信号量与P、V操作
4、举例说明利用P、V操作互斥同步问题
例2.1 生产者与消费者的问题
问题是这样叙述的：有若干生产者进程P1、P2、……Pn和若 干消费者进程C1、C2、…Cm；它们通过一个有界缓冲池（即由 K个缓冲区组成）联系起来，如下图所示：
有界缓冲池 生产者
操作系统2 进程管理
进程的挂起状态（从内存交换到外存） 进程的激活状态（从外存交换到内存）
新建
内存活动
空间
运行
时间 片到
调度
终止
等待事件 发生如 等待I/O
完成
接纳 就绪 事件发生 等待
如I/O完成
接纳
挂起
激活(内存有空间)挂起
激活(内存有空间)
外存 就绪
事件发生 如I/O完成
外存 等待
外存活动 空间
具有挂起状态的进程状态转换图
进程控制块的组织：
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) 4)
2. 进程阻塞过程
进程调用阻塞原语block(), 把自己阻塞。它是进程自身的 一种主动行为。
然后，PCB中的状态由“执行”改为阻塞，并将PCB插 入阻塞队列。
最后，转调度程序将处理机分配给另一就绪进程，并进 行切换.
2）把该进程的PCB复制到某指定的内存区域。 3）若被挂起的进程正在执行，则转向调度程序重新调度。
2. 进程的激活过程
系统用原语active( )将指定进程激活。
执行过程是：
1）先将进程从外存调入内存，静止就绪改为活动就绪； 静止阻塞改为活动阻塞。
2）假如采用的是抢占调度策略，则每当有新进程进入 就绪队列时，应检查是否要进行重新调度，即由调度程 序将被激活进程与当前进程进行优先级的比较，如果被 激活进程的优先级更低，就不必重新调度；否则，立即 剥夺当前进程的运行，把处理机分配给刚被激活的进程。
整个系统效率得 以提高。
下一 步
吞吐率：1/8Δt = 0.125道程序/Δt
A
0 Δt 1