3-处理机管理

创建
运行
等待事件
终止
活动 阻塞 挂起 静止 阻塞
挂起
• 创建和终止：分配或回收资源和信息 • 挂起状态：进程不接收（低级）调度
进程的描述
• 进程三要素：程序段，数据，进程控制块 • 进程控制块（PCB，Process Control Block）：数 据结构用来代表一个进程
– 进程识别信息：进程标识（内部）、用户标识（外 部）、家族联系 – 进程调度信息：状态、优先、事件等 – 处理机状态/进程上下文/CPU现场信息：通用寄存器、 程序状态字（PSW）、程序计数器（PC）、堆栈指针
进程的同步
• 并发进程为完成相关任务而协调执行速度
– 走快等慢，相互制约
• 合作进程访问共享资源时的要遵循时间顺序
– 先空后可放，先有后可取
• 进程互斥作为进程同步的特例 • 互斥：因共享临界资源所产生的间接制约关系。 进程使用共享资源的顺序没有固定。 • 同步：因执行顺序所产生的直接制约关系。进程 使用共享资源的顺序必须根据同步信息决定。
– 进程控制信息：程序和数据地址、进程同步通讯机制、 资源清单、链接指针（用于组织PCB的结构）
PSW （Program Status Word)
/view/809499.htm
• 程序状态字/程序状态寄存器 • 标志寄存器FR（Flag Register） • cpu控制器的一部分，存放指令执行的特征 信息
• 进程控制原语：创建、撤销、阻塞、唤醒、 挂起、激活等
进程创建原语
• 系统创建
– 用户登录 – 作业调度 – 服务请求
开始 申请空白 进程控制 块 Y 分配资源 置初值：进程名、优先 级、内存地址、资源清 单、CPU初始状态 置状态为就绪 插入就绪队列 N 创建失败
• 进程创建
– 应用请求（父进程与 子进程有隶属关系和 资源继承关系）
进程阻塞原语
• 由执行中的进程调用， 如果下列事件发生
– 请求系统服务 – 启动某种操作 – 所需数据尚未到达 – 无工作请求
开始 中断CPU
现场信息保存到进程控制块
置状态为阻塞 插入阻塞队列
重新调度处理机
结束
进程唤醒原语
• 发现下列事件的进程调用
– 请求的系统服务就绪 – 请求的操作完成 – 所需数据到达 – 有工作请求到达
– 状态标志：进位、溢出、正负、为零、奇偶 – 控制状态：允许中断、跟综标志、方向标志
进程控制块的结构
• 链接方式和索引方式
执行指针 PCB1 4
执行指针
PCB2
PCB3
3
0 8 0 7 9 0
就绪队列指针
PCB1 就绪索引表项 就绪索引表项 PCB2 PCB3 PCB4 阻塞队列指针 PCB5
就绪队列指针
互斥与同步的机制
• 在程序中设置临界区
• 进程执行到达临界区，进入之前检查临界 区是否为空
– 若为空，则进入 – 否则，在临界区外等待
• 条件
– 记录临界区状态的变量 – 对变量读写的方法必须是原语
• 机制：锁、记录型信号量、管程
锁/整形信号量
• 用关锁操作（lock/wait）和开锁操作（ unlock/signal）对一公共变量（x）进行操作
• 部分分配（占用并等待）：进程只在需要 时才申请资源 • 不可剥夺：进程只在运行结束（或挂起） 时才释放所占用的资源 • 环路等待
处理机管理
Processor Management
教学参考书
• 《操作系统实用教程（第三版）》，任爱华等 ，清华大学出版社
• 《计算机操作系统（第三版）》，汤小丹等， 西安电子科技大学出版社 • 《计算机操作系统原理（第2版）》，王万森 等，高等教育出版社
处理机管理
• 进程管理 • 处理机调度 • 死锁处理
返回 void V(struct semaphore s) { s.value = s.value + 1; if (s.value <= 0) wakeup(s.L); }
Y 唤醒信号量等待队列中 的一个进程
转进程调度
PV原语举例 – 生产者消费者问题
• 整型量n，临界资源缓 冲池大小 • 信号量mutex，初值1 ，临界区互斥 • 信号量empty，初值n ，空缓冲数 • 信号量full，初值0，满 缓冲数 • 整型量i，初值0，空缓 冲头序号 • 整型量j，初值0，满缓 冲头序号 生产者
– 名称，对应于某个资源 – 局部于管程内部的共享数据，代表相应的资源 – 对共享数据进行操作的一组过程（函数） – 对共享数据设初值的语句
• 对临界资源使用管程来访问，可保证互斥 共享
互斥与同步的经典问题
• • • • 生产者-消费者问题 读者-写者问题 哲学家进餐问题 打磕睡的理发师问题
进程通信
进程的特征
• 动态性：由创建而产生，由调度而执行， 由撤消而消亡。 • 并发性：多个进程共驻内存，并发执行 • 独立性：独立运行，独立分配资源，独立 接受调度 • 异步性：执行过程的异步性
• 结构性：用进程映像（程序段、数据段和 堆栈、控制块）描写
进程的状态
时间片用完 已取得运行所需 除处理机之外 的一切资源 就绪 调度 程序正在 处理机上 运行 运行
• 调度算法
– 最早截止时间 – 最低松弛度优先
处理机管理
• 进程管理 • 处理机调度 • 死锁
死锁的定义
• 多道程序并发执行时，两个以上的进程由 于竞争系统资源而互相等待 • 因素
– 多个进程 – 并发 – 多个独享资源
• 举例：
– 两小孩作画 – 先后问题？
系统资源
• cpu，内存，磁盘，打印机，显示器，光盘 刻录机，程序代码，数据
记录型信号量
• Semaphore S
– S>0：该资源的可被使用数量 – S=0：该资源已被全部使用 – S<0：等待使用该资源的进程数
• P原语：请求一个资源单位 • V原语：释放一个资源单位
P原语操作
• 让权等待：等待时不Leabharlann 用处理机入口 信号量值减1
信号量值 <0
N
struct semaphore { int value; PCB* L; //过程链表 } s;
O1
• • • •
运行断断续续 资源状态受影响 程序运行中的相互制约 保持可再现性：从程序的执行过程实施管理
什么是进程（process）
• 定义
– 程序的运行过程 – 系统资源分配的基本单位 – 处理机（CPU）调度的基本单位?
• 进程与程序的关联
– 进程是程序的一次执行过程 – 进程有生命周期，程序的存在是永久的 – 一个进程可执行一个或多个程序，一个程序可 被多个进程执行
• • • • 公共系统 批处理系统 分时系统 实时系统
设计目标的量化
• • • • • 周转时间 带权周转时间 系统吞吐量 响应时间 处理机利用率
调度算法
• • • • • • 先来先服务 短作业优先 高响应比优先 时间片轮转 优先级 多级反馈队列
实时调度
• 实现的基本条件 • 分类
– 抢占式 – 非抢占式
• 分类 – 可剥夺和不可剥夺 – 共享和独占 – 永久和临时 • 使用模式 – 申请：有可能等待 – 使用 – 释放：自然释放、强迫释放
死锁的原因
• 临界资源分配不当
– 竞争非剥夺性资源 – 竞争临时性资源 – 竞争同一资源
• 进程推进顺序不当
– 举例
死锁的必要条件
• 互斥：进程对所分配到的独享资源进行排 它性使用
PCB4 PCB5
阻塞队列指针
PCB6 PCB7
空闲队列指针
PCB8 PCB9 ……
阻塞索引表项 … 阻塞索引表项
进程控制
• 进程的创建、撤销、状态转换 • 使用原语完成进程控制工作
– 原语（primitive）：用于完成一定功能的一系 列机器指令。是一个不可打断的原子操作，即 所有指令要么不执行，要么一次全部执行。 – 系统内核，管态下执行
事件发生
阻塞
等待事件
因等待（输入输出）事件的发生， 其程序暂时不能被处理机执行
• • • •
三个基本状态：就绪、执行、阻塞 状态转换：事件驱动，方向性 就绪队列：存放处于就绪状态的进程 阻塞队列：存放处于阻塞状态的进程
进程的生命周期
时间片用完
许可 调度 撤消 活动 就绪 事件发生 激活 挂起 激活 静止 就绪 释放
返回 void P(struct semaphore s) { s.value = s.value – 1; if (s.value < 0) block(s.L); }
Y 调用进程转为阻塞状态 并进入信号量等待队列
转进程调度
V原语操作
入口 信号量值加1
信号量值 <= 0
N
struct semaphore { int value; PCB* L; //过程链表 } s;
• 共享存储 • 消息
– 直接通信 – 间接通信
• 管道
线程
• • • • 基本概念 实现方式 县城同步 线程通信
处理机管理
• 进程管理 • 处理机调度 • 死锁
调度的层次
• 高级调度 • 低级调度 • 中级调度
调度的分类
• • • • 批处理调度 分时调度 实时调度 3级调度
调度算法的设计目标
进程的互斥
• 临界资源：一次只允许一个进程使用的资源
– 物理设备（打印机等）、共享变量、缓冲区
• 临界区：进程程序中访问临界资源的代码段 • 进程互斥：并发进程不得同时进入临界区 • 互斥准则
– 空闲让进：允许欲进进程进入一个空闲临界区 – 忙则等待：应让欲进进程在繁忙临界区外等待 – 有限等待：应让欲进进程在有限时间内进入临界区 – 让权等待：等待进程应阻塞自己