3-2009-进程线程模型 操作系统高级 教学课件
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CPU现场保护信息：
– 寄存器值（通用、程序计数器PC、状态PSW，地址 包括栈指针）
– 指向赋予该进程的段/页表的指针
2020/9/19
PCB组织方式（1/5）
PCB表：
系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内 存的固定区域，就构成了PCB表
PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的 进程个数，称为系统的并发度 （注：多道程序中的多道与系统并发度不同）
2020/9/19
七状态进程模型（3/4）
激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存 ；可能有以下几种情况： – 就绪挂起→就绪：没有就绪进程或挂起就绪 进程优先级高于就绪进程时，发生转换 – 阻塞挂起→阻塞：当一个进程释放足够内存 时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统 认为会很快出现所等待的事件）进程
当各用户对资源使用上发生冲突时，如何处理竞争
2020/9/19
4.与时间有关的错误（1/4）
一飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2进程
T1 :
T2:
...
...
read(x);
read(x);
if x>=1 then if x>=1 then
x:=x-1;
x:=x-1;
write(x);
write(x);
2020/9/19
2.并发程序（1/4）
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
A B
பைடு நூலகம்
B A
A B
B A
2020/9/19
引入并发的目的： 为了提高资源利用率，从而
提高系统效率
并发程序（2/4）
A
CPU DEV1 CPU DEV2
进程控制信息：
– 当前状态 – 优先级(priority) – 代码执行入口地址 – 程序的外存地址 – 运行统计信息（执行时间、页面调度） – 进程间同步和通信；阻塞原因
2020/9/19
PCB的内容（2/3）
– 进程的队列指针 – 进程的消息队列指针
所拥有的资源和使用情况：
– 虚拟地址空间的现状 – 打开文件列表
已完成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) – 因为资源有限
2020/9/19
中止后，进程移入该状态
– 它不再有执行资格 – 表格和其它信息暂时由辅助
程序保留 可完成一些数据统计工作
当数据不再需要后，进程(和它的 表格)被删除
了解：Linux的相关数据结构
2020/9/19
PCB组织方式（2/5）
链接结构： 同一状态进程的PCB组成一个链表，不同状态
对应多个不同的链表 就绪链表、阻塞链表
索引结构：对具有相同状态的进程，分别设置各 自的PCB索引表，表明PCB在PCB表中的地址
进程队列：不同状态进程分别组成队列 运行队列、就绪队列、等待队列
A
CPU
DEV1
CPU DEV2
CPU
t(s)
10
15
20
25 30
35 40
45
B
DEV1
CPU
DEV2 CPU
DEV2
在并发环境下 CPU利用 = 89% DEV1并发环境下利用 = 33% DEV2并发环境下利用 = 66%
2020/9/19
并发程序（4/4）
特征： （1）程序执行结果的不可再现性
2020/9/19
(1)进程的创建
创建一个PCB 赋予一个统一进程标识符 为进程映象分配空间 初始化进程控制块
– 许多默认值 (如: 状态为 New，无I/O设备或 文件...)
设置相应的链接
– 如: 把新进程加到就绪队列的链表中
2020/9/19
(2)进程的撤消
收回进程所占有的资源 撤消该进程的PCB
2020/9/19
七状态进程模型（4/4）
提交
就绪挂起
事 件 出 现
阻塞挂起
激活 挂起
激活 挂起
2020/9/19
创建
提 交 挂起
调度
就绪
运行
超时
事
件 出 现
事件 等待
阻塞
释放
退出
William Stallings
3.进程控制块
（Process Control Block，PCB）
概念：
系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构 ，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运 动变化过程（又称进程描述符、进程属性）
2020/9/19
(3)进程阻塞和进程唤醒
处于运行状态的进程，在其运行过程中 期待某一事件发生，如等待键盘输入、 等待磁盘数据传输完成、等待其它进程 发送消息，当被等待的事件未发生时， 由进程自己执行阻塞原语，使自己由运 行态变为阻塞态
2020/9/19
进程的基本状态
运行态（Running）： 进程占有CPU，并在CPU上运行
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）
等待态（Blocked）：阻塞态、封锁态、睡眠态 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）
2020/9/19
William Stallings
4.进程映像 (进程要素)
代码段（用户程序） 数据段（用户数据） 用户栈（堆栈）
– 用于过程调用和参数传递 – 与系统栈区分
进程控制块PCB (进程属性)
– 用户进程不能直接访问、修改自己的PCB
2020/9/19
进程虚拟地址空间
2020/9/19
生活中类比例子
2020/9/19
进程分类
进程的分类： 系统进程 用户进程
系统进程优先于用户进程 daemon: 守护进程/精灵进程
2020/9/19
2.进程的基本状态及其转换
进程的三种基本状态： 运行态、就绪态、等待态
进程在消亡前处于且仅处于三种基本状态 之一
不同系统设置的进程状态数目不同
又称任务（Task）
为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享， 所需的一个描述程序执行时动态特征的概念
2020/9/19
程序与进程的区别
进程更能真实地描述并发(程序不能) 进程是由程序和数据两部分组成的 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 进程具有创建其他进程的功能
2020/9/19
七状态进程模型（2/4）
挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存；可 能有以下几种情况： – 阻塞→阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪进 程要求更多内存资源时，发生这种转换，以提交新 进程或运行就绪进程 – 就绪→就绪挂起：当有高优先级阻塞（系统认为会 很快就绪的）进程和低优先级就绪进程时，系统会 选择挂起低优先级就绪进程 – 运行→就绪挂起：对抢占式系统，当有高优先级阻 塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可 能会把运行进程转到就绪挂起状态
操作系统高级
Operating Systems Advanced Class
北京大学软件与微电子学院 2009春季
2020/9/19
第三讲 进程线程模型
• 多道程序设计 • 进程管理 • 进程控制 • 线程 • 进程（线程）调度（CPU调度）
2020/9/19
一、多道程序设计
• 顺序程序 • 并发程序 • 多道程序设计
系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是 系统感知进程存在的唯一标志
进程与PCB是一一对应的
2020/9/19
PCB的内容（1/3）
进程描述信息：
– 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数 – 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一） – 用户标识符(user ID)；进程组关系
五状态进程模型
2020/9/19
William Stallings
七状态进程模型（1/4）
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
2020/9/19
PCB组织方式（3/5）
2020/9/19
William Stallings
PCB组织方式（4/5）
索引表 就绪队列
等待队列 1 等待队列 2
PCB表
PCB 1 PCB 2 PCB 3 PCB 4 PCB 5 PCB 6 PCB 7
… PCB n
2020/9/19
PCB组织方式（5/5）
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 （2）在并发环境下程序的执行是间断性的 执行——停——执行 （3）资源共享
系统中资源被多个程序使用 （4）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 （5）程序和计算不再一一对应
（计算：一个程序的执行）
进程上下文环境（context）
对进程执行活动全过程的静态描述 由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内容及 与该进程相关的核心数据结构组成
用户级上下文：进程的用户地址空间（包括用户 栈各层次），包括用户正文段、用户数据段和用 户栈
寄存器级上下文：程序计数器、程序状态寄存器 、栈指针、通用寄存器的值
2020/9/19
与时间有关的错误（4/4）
p1
p2
g1
c1
c2
ci
pi
g2
g3
并发环境下程序间的制约关系
2020/9/19
二、进程的基本概念
进程的概念 进程的状态及其转换 进程控制块（Process Control Block） 进程的特征
2020/9/19
1.进程的概念
定义：Process 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上 的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的 独立单位
2020/9/19
3.多道程序设计（Multiprogramming）
多道程序设计：允许多个程序同时进入内存并 运行，其目的是为了提高系统效率
考虑因素： • 在多道程序环境下如何向用户提供服务 • 在并发程序之间如何正确传递消息（通信） • 如何对CPU进行调度，保证每个用户相对公平地得到
CPU （CPU是一个只可调度，不可分配的资源） • 如何管理其他资源
CPU
10
15
20
30
40
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
B
10
20
25
30
40
t(s) t(s)
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%
2020/9/19
并发程序（3/4）
系统级上下文：
– 静态部分（PCB和资源表格） – 动态部分：核心栈（核心过程的栈结构，不同进程在
调用相同核心过程时有不同核心栈）
2020/9/19
5.进程控制
创建、撤消进程以及完成进程各状态之间的转 换，由具有特定功能的原语完成 进程创建原语 进程撤消原语 阻塞原语 唤醒原语 挂起原语 激活（解挂）原语 改变进程优先级
2020/9/19
运行
就绪
等待
进程的基本状态及其转换
2020/9/19
状态转换：
在进程运行过 程中，由于 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
进程状态转换的原因
就绪 --> 运行
– 调度程序选择一个新的进程运行
运行 --> 就绪
– 运行进程用完了时间片 – 一个高优先级进程处于就绪状态，中断正在运行的进程
...
...
2020/9/19
与时间有关的错误（2/4）
复制一个记录
get copy put
Cobegin
get;
copy;
f
s
t
g
put;
Coend
2020/9/19
与时间有关的错误（3/4）
f st g
初始状态 3,4,...,m 2 2 (1,2) g,c,p 4,5,...,m 3 3 (1,2,3) g,p,c 4,5,...,m 3 3 (1,2,2) X c,g,p 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X c,p,g 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X p,c,g 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X p,g,c 4,5,...,m 3 3 (1,2,2) X 设信息长度为m，有多少种可能性？
运行 --> 等待
– 当一个进程必须等待时
• OS尚未完成服务 • 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)
等待 --> 就绪
– 当所等待的事件发生时
2020/9/19
进程的其他状态
创建状态，终止状态 挂起（suspend）状态
进程没有占用内存空间 处在挂起状态的进程映像在磁盘上 （调节负载，对换）
– 寄存器值（通用、程序计数器PC、状态PSW，地址 包括栈指针）
– 指向赋予该进程的段/页表的指针
2020/9/19
PCB组织方式（1/5）
PCB表：
系统把所有PCB组织在一起，并把它们放在内 存的固定区域，就构成了PCB表
PCB表的大小决定了系统中最多可同时存在的 进程个数，称为系统的并发度 （注：多道程序中的多道与系统并发度不同）
2020/9/19
七状态进程模型（3/4）
激活（Activate）：把一个进程从外存转到内存 ；可能有以下几种情况： – 就绪挂起→就绪：没有就绪进程或挂起就绪 进程优先级高于就绪进程时，发生转换 – 阻塞挂起→阻塞：当一个进程释放足够内存 时，系统会把一个高优先级阻塞挂起（系统 认为会很快出现所等待的事件）进程
当各用户对资源使用上发生冲突时，如何处理竞争
2020/9/19
4.与时间有关的错误（1/4）
一飞机订票系统，两个终端，运行T1、T2进程
T1 :
T2:
...
...
read(x);
read(x);
if x>=1 then if x>=1 then
x:=x-1;
x:=x-1;
write(x);
write(x);
2020/9/19
2.并发程序（1/4）
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
A B
பைடு நூலகம்
B A
A B
B A
2020/9/19
引入并发的目的： 为了提高资源利用率，从而
提高系统效率
并发程序（2/4）
A
CPU DEV1 CPU DEV2
进程控制信息：
– 当前状态 – 优先级(priority) – 代码执行入口地址 – 程序的外存地址 – 运行统计信息（执行时间、页面调度） – 进程间同步和通信；阻塞原因
2020/9/19
PCB的内容（2/3）
– 进程的队列指针 – 进程的消息队列指针
所拥有的资源和使用情况：
– 虚拟地址空间的现状 – 打开文件列表
已完成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) – 因为资源有限
2020/9/19
中止后，进程移入该状态
– 它不再有执行资格 – 表格和其它信息暂时由辅助
程序保留 可完成一些数据统计工作
当数据不再需要后，进程(和它的 表格)被删除
了解：Linux的相关数据结构
2020/9/19
PCB组织方式（2/5）
链接结构： 同一状态进程的PCB组成一个链表，不同状态
对应多个不同的链表 就绪链表、阻塞链表
索引结构：对具有相同状态的进程，分别设置各 自的PCB索引表，表明PCB在PCB表中的地址
进程队列：不同状态进程分别组成队列 运行队列、就绪队列、等待队列
A
CPU
DEV1
CPU DEV2
CPU
t(s)
10
15
20
25 30
35 40
45
B
DEV1
CPU
DEV2 CPU
DEV2
在并发环境下 CPU利用 = 89% DEV1并发环境下利用 = 33% DEV2并发环境下利用 = 66%
2020/9/19
并发程序（4/4）
特征： （1）程序执行结果的不可再现性
2020/9/19
(1)进程的创建
创建一个PCB 赋予一个统一进程标识符 为进程映象分配空间 初始化进程控制块
– 许多默认值 (如: 状态为 New，无I/O设备或 文件...)
设置相应的链接
– 如: 把新进程加到就绪队列的链表中
2020/9/19
(2)进程的撤消
收回进程所占有的资源 撤消该进程的PCB
2020/9/19
七状态进程模型（4/4）
提交
就绪挂起
事 件 出 现
阻塞挂起
激活 挂起
激活 挂起
2020/9/19
创建
提 交 挂起
调度
就绪
运行
超时
事
件 出 现
事件 等待
阻塞
释放
退出
William Stallings
3.进程控制块
（Process Control Block，PCB）
概念：
系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构 ，用它来记录进程的外部特征，描述进程的运 动变化过程（又称进程描述符、进程属性）
2020/9/19
(3)进程阻塞和进程唤醒
处于运行状态的进程，在其运行过程中 期待某一事件发生，如等待键盘输入、 等待磁盘数据传输完成、等待其它进程 发送消息，当被等待的事件未发生时， 由进程自己执行阻塞原语，使自己由运 行态变为阻塞态
2020/9/19
进程的基本状态
运行态（Running）： 进程占有CPU，并在CPU上运行
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）
等待态（Blocked）：阻塞态、封锁态、睡眠态 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）
2020/9/19
William Stallings
4.进程映像 (进程要素)
代码段（用户程序） 数据段（用户数据） 用户栈（堆栈）
– 用于过程调用和参数传递 – 与系统栈区分
进程控制块PCB (进程属性)
– 用户进程不能直接访问、修改自己的PCB
2020/9/19
进程虚拟地址空间
2020/9/19
生活中类比例子
2020/9/19
进程分类
进程的分类： 系统进程 用户进程
系统进程优先于用户进程 daemon: 守护进程/精灵进程
2020/9/19
2.进程的基本状态及其转换
进程的三种基本状态： 运行态、就绪态、等待态
进程在消亡前处于且仅处于三种基本状态 之一
不同系统设置的进程状态数目不同
又称任务（Task）
为了描述程序在并发执行时对系统资源的共享， 所需的一个描述程序执行时动态特征的概念
2020/9/19
程序与进程的区别
进程更能真实地描述并发(程序不能) 进程是由程序和数据两部分组成的 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 进程具有创建其他进程的功能
2020/9/19
七状态进程模型（2/4）
挂起（Suspend）：把一个进程从内存转到外存；可 能有以下几种情况： – 阻塞→阻塞挂起：没有进程处于就绪状态或就绪进 程要求更多内存资源时，发生这种转换，以提交新 进程或运行就绪进程 – 就绪→就绪挂起：当有高优先级阻塞（系统认为会 很快就绪的）进程和低优先级就绪进程时，系统会 选择挂起低优先级就绪进程 – 运行→就绪挂起：对抢占式系统，当有高优先级阻 塞挂起进程因事件出现而进入就绪挂起时，系统可 能会把运行进程转到就绪挂起状态
操作系统高级
Operating Systems Advanced Class
北京大学软件与微电子学院 2009春季
2020/9/19
第三讲 进程线程模型
• 多道程序设计 • 进程管理 • 进程控制 • 线程 • 进程（线程）调度（CPU调度）
2020/9/19
一、多道程序设计
• 顺序程序 • 并发程序 • 多道程序设计
系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是 系统感知进程存在的唯一标志
进程与PCB是一一对应的
2020/9/19
PCB的内容（1/3）
进程描述信息：
– 进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数 – 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一） – 用户标识符(user ID)；进程组关系
五状态进程模型
2020/9/19
William Stallings
七状态进程模型（1/4）
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
2020/9/19
PCB组织方式（3/5）
2020/9/19
William Stallings
PCB组织方式（4/5）
索引表 就绪队列
等待队列 1 等待队列 2
PCB表
PCB 1 PCB 2 PCB 3 PCB 4 PCB 5 PCB 6 PCB 7
… PCB n
2020/9/19
PCB组织方式（5/5）
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 （2）在并发环境下程序的执行是间断性的 执行——停——执行 （3）资源共享
系统中资源被多个程序使用 （4）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 （5）程序和计算不再一一对应
（计算：一个程序的执行）
进程上下文环境（context）
对进程执行活动全过程的静态描述 由进程的用户地址空间内容、硬件寄存器内容及 与该进程相关的核心数据结构组成
用户级上下文：进程的用户地址空间（包括用户 栈各层次），包括用户正文段、用户数据段和用 户栈
寄存器级上下文：程序计数器、程序状态寄存器 、栈指针、通用寄存器的值
2020/9/19
与时间有关的错误（4/4）
p1
p2
g1
c1
c2
ci
pi
g2
g3
并发环境下程序间的制约关系
2020/9/19
二、进程的基本概念
进程的概念 进程的状态及其转换 进程控制块（Process Control Block） 进程的特征
2020/9/19
1.进程的概念
定义：Process 进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上 的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的 独立单位
2020/9/19
3.多道程序设计（Multiprogramming）
多道程序设计：允许多个程序同时进入内存并 运行，其目的是为了提高系统效率
考虑因素： • 在多道程序环境下如何向用户提供服务 • 在并发程序之间如何正确传递消息（通信） • 如何对CPU进行调度，保证每个用户相对公平地得到
CPU （CPU是一个只可调度，不可分配的资源） • 如何管理其他资源
CPU
10
15
20
30
40
DEV 1
CPU
DEV2 CPU DEV2
B
10
20
25
30
40
t(s) t(s)
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%
2020/9/19
并发程序（3/4）
系统级上下文：
– 静态部分（PCB和资源表格） – 动态部分：核心栈（核心过程的栈结构，不同进程在
调用相同核心过程时有不同核心栈）
2020/9/19
5.进程控制
创建、撤消进程以及完成进程各状态之间的转 换，由具有特定功能的原语完成 进程创建原语 进程撤消原语 阻塞原语 唤醒原语 挂起原语 激活（解挂）原语 改变进程优先级
2020/9/19
运行
就绪
等待
进程的基本状态及其转换
2020/9/19
状态转换：
在进程运行过 程中，由于 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
进程状态转换的原因
就绪 --> 运行
– 调度程序选择一个新的进程运行
运行 --> 就绪
– 运行进程用完了时间片 – 一个高优先级进程处于就绪状态，中断正在运行的进程
...
...
2020/9/19
与时间有关的错误（2/4）
复制一个记录
get copy put
Cobegin
get;
copy;
f
s
t
g
put;
Coend
2020/9/19
与时间有关的错误（3/4）
f st g
初始状态 3,4,...,m 2 2 (1,2) g,c,p 4,5,...,m 3 3 (1,2,3) g,p,c 4,5,...,m 3 3 (1,2,2) X c,g,p 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X c,p,g 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X p,c,g 4,5,...,m 3 2 (1,2,2) X p,g,c 4,5,...,m 3 3 (1,2,2) X 设信息长度为m，有多少种可能性？
运行 --> 等待
– 当一个进程必须等待时
• OS尚未完成服务 • 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)
等待 --> 就绪
– 当所等待的事件发生时
2020/9/19
进程的其他状态
创建状态，终止状态 挂起（suspend）状态
进程没有占用内存空间 处在挂起状态的进程映像在磁盘上 （调节负载，对换）