操作系统第3章

进程标识符 上下文数据 内存指针 I/O状态信息

进程状态
调度信息 程序计数器
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3.2 进程控制

进程控制是进程管理中最基本的功能

在操作系统中，不同功能都是通过执行各种原 语（Primitive）操作实现 原语是由若干条指令构成、可完成特定功能的 程序段。
原语是原子操作，是一个不可分割的基本单元， 在执行过程中不会被中断。
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3.1.4 进程状态
（3）运行态：进程已获得所需资源并占据处 理器，处理器正在执行该进程。 （4）阻塞态：也称为等待态、挂起态或睡眠 态，进程在等待某个事情的发生而暂时不能运 行，例如等待某个I/O操作的完成。 （5）终止态：进程或者因为执行结束或者因 为被撤销而从可执行进程组中退出。
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3.1.4 进程状态


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3.3.2 多线程
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3.2.1 进程创建

引起进程创建的事件：
（1）批处理作业
（2）用户登录
（3）提供服务
（4）进程派生
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3.2.1 进程创建

创建一个新进程的具体步骤：
（1）系统为新建进程申请一个空白的进程控 制块，获得一个唯一的进程标识符。 （2）系统为新建进程分配运行所需的资源， 包括：内存、处理器时间、I/O设备等。
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3.2.3 进程阻塞和唤醒
2. 进程唤醒

当被阻塞进程等待的事件发生，如等待的I/O操作已完成， 或者等待的操作完成时，则操作系统会通过唤醒原语将等 待该事件的进程唤醒。 唤醒原语（Wakeup primitive）的具体步骤：

（1）根据进程标识符从等待该事件的阻塞队列中找到需要 唤醒的进程PCB。 （2）将PCB中的进程状态阻塞改成就绪，并将该进程插入 到就绪队列中。
2. 进程激活 激活，对应于挂起，是让被挂起的进程重新活跃 起来，也就是把进程从外存调入到内存中。当系 统中出现了引起激活的事件时，操作系统会利用 激活原语将挂起进程激活。 激活原语（Active primitive）的具体步骤： （1）根据进程标示符，在PCB集合中找到需要激 活的进程。 （2）检查激活进程的状态。
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终止原语的具体步骤：
3.2.2 进程终止
（1）根据需要终止进程的进程标识符，从PCB集合中查找 对应的进程，从中读出该进程的状态。
（2）若被终止进程正处在执行状态，则应立即终止该进程 的执行，并设置相应的调度信息，用于指示该进程被终止 后应重新进行调度。 （3）将被终止进程所拥有的所有资源归还给其父进程，或 者归还给系统。
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3.1.2 程序的并发执行及其特征
1. 程序的并发执行
为了提高计算机的利用率、处理速度和系统的 吞吐量，并行处理技术和并发程序设计技术在计 算机中已经得到了广泛应用，成为了现代操作系 统的基本特征之一。 I I I I
1 2 3 4
C1
C2
C3
C4
P1
P2
P3
P4
图 3.2 多道程序并发执行
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28
3.1.4 进程状态
新建
许 允
进入
挂起 分派
进
允许
入
激活 挂起就绪 就绪 挂起
运行 超时
释放
终止
事件发生
事件发生
激活 挂起
事
件
等
待
挂起阻塞
阻塞
图3.6 引入挂起的进程状态转换模型
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3.1.5 进程控制块

进程控制块（Process control block, PCB）是操 作系统用来记录进程状态和相关信息，控制进 程运行的数据结构，是进程的唯一标识符 在PCB中，主要包含如下的信息:
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3.3.1 线程简介

在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能 并发执行，以提高资源利用率和系统吞吐量。 在操作系统中再引入线程，则是为了减少程序在并发 执行时所付出的时空开销，使操作系统具有更好的并 发性。 通常把调度和分派的基本单位称做线程或轻量级进程 （Light weight process, LWP）,而把资源分配的基本单 位称做进程或者任务。
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3.1.4 进程状态
分派 进入 退出
非运行
运行
暂停
（a） 状态变迁图
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3.1.4 进程状态
进入
队列
分派
处理器
退出
（b） 排队图
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什么在排队
进入 队列 分派 处理器 退出
是它－－PCB (process control block)
进程控制块（描述进程进关信息的数据结构）
3.1.4 进程状态


一个进程可以包含多个程序，一个程序也可以 被多个进程执行。
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3.1.4 进程状态
1. 两状态模型

包含运行态（Running）和非运行态（Not running）两种进程状态 创建了一个新进程之后，它会以非运行态加入 到系统中，等到操作系统为其分派处理器
当前处于运行态的进程会不时地中断，由系统 中的分派器选择处于非运行状中的某一个进程 运行
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3.2.2 进程终止
（3）若被终止进程还拥有子孙进程，则将其 所有子孙进程一并终止。 （4）归还PCB所占据的空间。
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3.2.3 进程阻塞和唤醒
1. 进程阻塞

进程阻塞是指进程在执行过程中因等待某个事 件的发生或等待某个操作的完成而不得不让出 处理器。 引起进程阻塞的主要事件有：
（1）请求系统服务。
3.1.2 程序的并发执行及其特征
前趋图的引入：前趋图是一个有向无环 （Directed Acyclic Graph, DAG） 考虑具有以下四条语句的一个程序段： S1: a:=x+2; S2: b:=y+4;
S2 S1 S3 S4
S3: c:=a+b;
S4: d:=c+b;
图 3.3 四条语句的前趋图
2.五状态模型

包括就绪态（Ready）、运行态（Running）、阻塞态 （Blocked）、新建态（New）和终止态（Terminate） 进程状态描述：

（1）新建态：刚刚创建的新进程，通常是指进程控制块 已经创建，但还没有加载到系统内存中的进程。
（2）就绪态：进程等待系统为其分派处理器，而此时处 理器被其它进程占据，所以该状态进程不能执行，但已经 具备了除处理器之外的进程执行所需要的所有条件。
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S1: a:=x+2; S2: b:=y+4; S3: c:=a+b; S4: d:=c+b;
S1 S3 S2 S4
S1: a:=x+2; S2: b:=y+4; S3: c:=a+b; S4: d:=c+b;
3.1.2 程序的并发执行及其特征
2. 程序并发执行的特征
（1）间断（异步）性：程序在并发执行时，由于它们共 享系统资源，以及为了完成同一任务而相互合作，致使这 些并发程序之间形成了相互制约的关系。 （2）失去封闭性：程序在并发执行时，多个程序共享系 统中的各种资源，因此，系统资源的状态将由多个程序来 改变，致使程序失去了封闭性。 （3）不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭 性，也将导致其失去执行的可再现性。
新建 允许进入 分派 就绪
事件发生
运行 超时
待 等
释放
终止
事
件
阻塞
图3.5 五状态模型
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进程状态间可能的转换及原因有：





新建→就绪：系统纳入一个新进程。 就绪→运行：进程被调度程序选中，占据处理器而进入运 行状态。 运行→终止：进程运行结束或被撤销则退出系统进入终止 态。 运行→就绪：进程分配的占据处理器的时间片已经用完， 或者是具有更高优先级的进程进入系统，当前正在运行的 进程被抢占了处理器，此时进程从运行态转换到就绪态。 运行→阻塞：进程在等待系统分配资源或者等待某些事件 的发生，进程让出处理器由运行态转入阻塞态。 阻塞→就绪：处于阻塞队列中的进程等待的资源可用或者 等待的事件发生之后，进程从阻塞态转换到就绪态，等待 处理器选中它运行。
（3）进程控制块（PCB）初始化。 （4）设置链接，如果就绪队列允许新进程插 入，则将新进程插入就绪队列。
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3.2.2 进程终止

引起进程终止的事件： （1） 正常完成 （8） I/O错误 （2） 运行超时 （9） 无效指令 （3） 等待超时 （10）特权指令 （4） 内存不足 （11）操作员或操作系统干涉 （5） 越界错误 （12）父进程请求 （6） 保护错误 （13）父进程终止 （7） 算术错误
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3.1.4 进程状态

挂起状态的引入
内存是有限的不能容纳所有的进程，对于内存中的 多个进程，处理器依次选中运行，当一个进程正在等待 I/O事件发生时，处理器转移到另一个进程。但是，处理 器的速度比I/O要快很多，有可能内存中所有进程都在等 待I/O事件的完成，导致处理器处于空闲状态。
一种可行的解决问题的办法是引入挂起 （Suspend）的概念。
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不可再现性
下面是两个并发执行的程序A，B，描述如下
3.1.3 进程的概念及其特征
已有的进程定义：


进程是程序的一次执行；
进程是可以和别的计算并发执行的计算；

进程是定义在一个数据结构上，并能够在其上 进行操作的一个程序；
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。
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3.1.3 进程的概念及其特征