典型的OS中用于进程管理的数据结构和技术

20
DEV2 CPU
25 30
DEV2
40
4.1 进程-定义和特征(1)
一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次 动态执行过程。简言之，进程是程序的一次执行活动。
进程描述了程序的动态执行过程； 它对应虚拟处理机、虚拟存储器和虚拟外设等资源的分 配和回收； 反映系统中程序执行的并发性、随机性和资源共享 多进程，提高了对硬件资源的利用率，但又带来额外的 空间和时间开销，增加了OS 的复杂性；
15 20
CPU
25
DEV2
30
CPU
35
40 45
t(s)
DEV1
CPU
DEV2
CPU
DEV2
在并发环境下 CPU利用率 = 89% DEV1并发环境下利用率= 33% DEV2并发环境下利用率= 66%
CPU
10
A B
DEV1
15
CPU
20
DEV2
30
CPU
40
t(s) t(s)
DEV 1
10
CPU

交换的引入(Swapping)
没有使用虚存的系统,
多个进程须完全进入主存 I/O速度比计算速度慢很多 可能出现主存中的多个进程全部阻塞,等I/O CPU时间浪费 其他作业因没有主存空间不能投入运行

交换:当主存中没有就绪态进程时
把主存中某个进程的部分或全部移到磁盘－挂起操作
CPU
40
t(s) t(s)
B
DEV 1
10
CPU
20
DEV2 CPU
25 30
DEV2
40
在顺序环境下，A先执行，B再执行 CPU利用率= 40/80 = 50% DEV1利用率= 15/80 =18.75% DEV2利用率= 25/80 =31.25%
并发程序（3/3）
A B
CPU
10
DEV1
双挂起状态的转换



就绪状态(Ready)：进程在内存且可立即进入运行状态； 阻塞状态(Blocked)：进程在内存，并等待某事件的出现； 阻塞 / 挂起状态（Blocked, suspend）：进程在外存并等待 某事件的出现； 就绪 / 挂起状态（Ready, suspend）：进程在外存，但只要 进入内存，即可运行；
逻辑所决定,不受外界影响。 可再现性：初始条件相同则结果相同。如：可通过空指令控 制时间关系。(程序执行结果的确定性，程序运行结果与程序执行 速度无关，只要初始状态相同，结果应相同)

现在的操作系统多为并发执行，具有许多新的特征。引入 并发执行的目的是为了提高资源利用率。
4.0.1 程序的顺序执行和并发执行(2)


程序的并发执行:指一组在逻辑上互相独立的程序或程序段 在执行时间上客观上互相重叠，即一个程序或程序段的执 行尚未结束，另一个程序（段）的执行已经开始的方式。 并发执行的特征 间断(异步)性：“走走停停”，一个程序可能走到中途 停下来，失去原有的时序关系； 失去封闭性：共享资源，受其他程序的控制逻辑的影响 。如：一个程序写到存储器中的数据可能被另一个程序 修改，失去原有的不变特征。 失去可再现性：失去封闭性 －>失去可再现性；外界环 境在程序的两次执行期间发生变化，失去原有的可重复 特征。并发程序执行的结果与其执行的相对速度有关， 是不确定的。
4.3 、进程控制块PCB
•
进程在OS内用PCB表示（process control Block) ，PCB是进程的属性之一。包含：

•
进程标识信息
• • •
进程控制信息
调度和状态信息
进程状态 优先级 与调度有关的信息 事件

退出状态(Exit):终止后进程移入该状态

导致进程状态转换的事件类型（1）进程自身进展情况及 外界环境的变化，这三种基本状态可以依据一定的条件相 互转换 导致进程状态转换的事件类型




NuLL 新建：创建执行一个程序的新进程 新建 就绪：OS准备好了接纳一个进程，进程进入内存 就绪 运行：OS调度程序选择一个新的进程运行（占据CPU） 运行 就绪： 运行进程用完了时间片 运行进程被中断（剥夺），因为一高优先级进程处于就绪状态 运行阻塞：当一进程等待某一事件的发生时，如 OS尚未完成系统服务调用 对一资源的访问尚不能进行 初始化I/O 且必须等待结果 等待某一进程提供输入 (IPC)
进入挂起队列

交换是I/O操作，费时间 挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存 激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存
负作用:
单挂起状态的转换图
导致进程挂起的原因


交换：OS需要释放足够的内存空间，以调入并执行处 于就绪状态的进程，以提高处理机效率； 交互式用户请求：如调试系统故障,系统有时可能出现 故障或某些功能受到破坏，这时就需要暂时将系统中 的进程挂起，以便系统将故障消除后，再将这些进程 恢复到原来状态 定时：一个进程可能会周期性执行（如记帐或监视进 程），而且可能在等待下一个时间间隔时被挂起 父进程请求：父进程挂起后代进程，以检查或修改挂 起的进程，或者协调不同后代进程之间的行为 其他OS原因：挂起后台进程或工具程序进程等
4.2、进程状态－new和exit进一步理解

新建( 新new)状态：


OS 已完成为创建一进程所必要的工作 已构造了进程标识符 已创建了管理进程所需的表格 但还没有允许执行该进程 (尚未同意) 因为资源（如主存或性能原因）有限，OS所需的关于该进程的 信息保存在主存中的进程表中，但进程自身还未进入主存，也没 有为与这个程序相关的数据分配空间，程序保留在辅存中。 如：在批处理系统中，提交新作业；为新登录用户创建进程；为 请求打印的进程创建打印进程，请求进程可以继续处理其它事情 它不再有执行资格 表格和其它信息暂时由辅助程序保留 例子: 为处理用户帐单而累计资源使用情况的财务程序
缺点：等待事件发生时，扫描整个队列，时间长

多阻塞队列：每个事件对应一个阻塞队列，当事件发生 时，相应队列中的所有进程都转换到就绪队列 多就绪队列：按照优先级方案分配进程，维护多个就绪 队列，每个优先级一个队列，OS可以容易地确定哪个 就绪进程具有最高的优先级且等待时间最长。

4.2、进程状态－交换与挂起状态
并发程序


资源共享 系统中资源被多个程序使用 独立性和制约性 独立的相对速度、起始时间 程序之间可相互作用（相互制约） 可分为直接作用和间接作用 程序和计算不再一一对应 （计算：一个程序的执行）
并发程序（1/3）
并发环境： 一定时间内，物理机器上有两个或两个以上的程序同时 处于开始运行但尚未结束的状态，并且次序不是事先确 定的
实例分析－UNIX的进程状态及其转换

9种状态：



用户模式下运行 ； 在存储器中就绪； 就绪，被交换； 被剥夺； 僵死
内核模式下运行 在存储器中睡眠 睡眠，被交换 创建


Unix采用两个状态表示进程在用户模式下还是在内核模 式下执行:用户态/ 内核态 状态“被抢先（被剥夺）”与“内存就绪”的地位相同 ，要等到下一次进程调度时，才能回到“用户态执行” 。这是为了强调正在核心态运行的进程不能被剥夺，仅 当它即将返回用户态时，才能被剥夺 作业：自己看！
A
dispatcher
dispatcher A
B
规定：每个进 程仅允许最多 连续执行6个指 令周期，之后 被中断(避免独 占）
I/O请求
dispatcher
C
C
4.2、进程状态
4.2、进程状态－五状态模型



就绪态（Ready） ：一个进程已经具备运行条件，但 由于无CPU暂时不能运行的状态，当调度给其CPU时 ，立即可以运行。位于“就绪队列”中 执行态（Running） ：进程占有了包括CPU在内的全 部资源，并在CPU上运行 等待态(阻塞态）（waiting，Blocked） ：指进程因等 待某种事件的发生而暂时不能运行的状态（即使CPU 空闲，该进程也不可运行）。位于“等待队列”中。 新建状态(new)：刚刚创建的进程，辅存中。 终止（退出状态，Exit)：终止后进程移入该状态，它 不再有执行资格
第4章 进程
典型的OS中用于进程管理的数 据结构和技术
4.0 概述(Process)(补充内容）
4.0.1 程序的顺序执行和并发执行(1)
程序的顺序执行：具有独立功能的程序独占CPU直至得到 最终结果的过程 顺序环境：

计算机系统中 只有一个程序在运行 该程序独占系统中所有资源 其执行不受外界影响

4.1 进程-与程序的区别
进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集 合；通常对应着文件、静态和可以复制。进程是程序 的执行。 进程是暂时的，程序是永久的：进程是一个状态变化 的过程，程序可长久保存。 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据 和PCB(进程控制块)。 进程与程序的对应关系：通过多次执行，一个程序可 对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个 程序。

4.1 进程-定义和特征(2)

动态性：
进程对应程序的执行 进程是动态产生，动态消亡的 进程在其生命周期内，在三种基本状态之间转换
独立性：各进程的地址空间相互独立，除非采用进程间 通信手段； 并发性：任何进程都可以同其他进程一起向前推进 异步性：每个进程都以其相对独立的不可预知的速度向 前推进 结构化：进程 = 代码段 + 数据段 + PCB
导致进程状态转换的事件类型（2）