第3章 进程.ppt

第第3章章 进程管理进程管理3.1多道程序设计n多道程序设计技术n采用多道程序设计技术应注意的问题n存储保护n程序浮动n资源的分配和调度n采用多道程序设计技术的原因n提高资源的利用率多道程序设计的优点n提高了处理器的利用率n充分利用外围设备资源n发挥了处理器和外围设备之间以及外围设备之间的并行处理能力多道程序设计的问题n可能延长程序的执行时间n并行工作道数与系统效率不成正比n并行的道数要根据系统配置的资源和用户对资源的要求来确定n主存空间大小n外围设备数量n多个程序同时要求使用同一个资源n合理搭配PUSH（S，TOP，X）POP（S，TOP，X）BEGIN BEGIN TOP=TOP+1 X=S（TOP）S（TOP）=X TOP=TOP-1 END END如果两个程序段按如下顺序执行，结果如何？T1：PUSH：TOP=TOP+1T2：POP：X=S（TOP）TOP=TOP-1T3：PUSH：S（TOP）=X我们没有得到预期的结果。结论：结论：系统中运行着的程序之间存在一些约束，破坏了程序的封闭性和可再现性。问题：如何解决？进程的概念n为了描述程序执行过程的“走走停停”，引入了进程。n一个程序在一个数据集上的一次执行。n进程是动态的。n进程和程序的联系和区别：n一个程序可以对应多个进程。n程序是静态的，进程是动态的。n可重入程序（纯代码）：执行过程中不变的代码。进程的特性n并发性：系统中同时存在着若干进程。n动态性：进程状态不断变化。n独立性：进程是分配资源的独立单位。n交往性：与其它进程交换信息。n异步性：以不可预知的速度向前推进。n结构性：一个进程包括三个部分：程序，数据，进程控制块。进程控制块（PCB）n定义定义：描述进程外部特性的数据结构。n内容内容：n标识信息：进程标识符；特征；当前状态。n说明信息：拥有资源和等待资源。内存地址、I/O设备、外存、数据区等。n管理信息：进程优先数；队列指针。n现场信息：记录进程释放处理机时的现场信息，PSW、通用寄存器等。n作用作用：PCB是进程存在的唯一标志。进程的动态、并发特性通过PCB表现出来。进程状态及其转换n运行状态：占有处理机。n就绪状态：进程拥有了除CPU之外的所有资源。n等待状态：进程在等待某事件发生。如读磁盘、读文件等。n一个进程在整个生命周期中，由于所拥有的资源不同，状态不断变化。进程状态及其转换进程状态及其转换 进程基本状态 就绪：拥有了除CPU之外的所有资源。运行：进程在CPU上运行。等待：进程等待某事件发生，如：读磁盘，打印、读文件等等。进程状态之间的转换 创建一个进程时，进程处于就绪状态。随着拥有（或等待）的资源不同，进程在不同的状态下转换。进程的整个生命周期就是在不同的状态转换中。就绪运行等待创建撤消进程调度时间片到；更高优先级进程事件已发生等待某事件注 意1、进程的三个基本状态。2、什么事件可以导致进程状态之间的转换。3、一个进程的状态转换可能引起其它进程的状态转换。例如：一个进程从运行等待，就会有另一个进程从就绪运行。4、哪些状态的转换是可能的，哪些是不可能的。如：等待运行（）。5、一个完整的进程由程序、数据、进程控制快组成。进程的任何状态变化都在PCB之中反映出来。进程队列n处在就绪状态和等待状态的进程不止一个。（但在任一时刻，处在运行状态的进程最多只有一个）。n引起进程状态变化的原因也很多。n如何组织、管理这些进程？nPCB中有一个连接指针，用于组织PCB。n就绪队列和等待队列。n根据等待的事件不同，可以组织多个等待队列。进程队列的实现方式n线性方式线性方式n原理：为PCB预留一定的空间，即确定了系统中PCB的最大数目，把所有进程的PCB都放在这个表中。n优点：最简单，最容易实现。n缺点：若用户很多，则无法创建新的进程；查找一个进程的效率很低。n链接方式：（C语言中的链表概念）n原理：按进程状态，放在不同队列中。n队列的组织：按等待原因；按优先级进程队列的实现方式索引方式：利用索引表记录不同状态的进程。一种状态就对应一张索引表。索引表中存放PCB的地址。优点：访问速度快，直接访问。缺点：索引表本身要占用存储空间。就绪索引表问 题n由谁来创建进程？n谁来实现进程的转换？n谁负责将进程从一个队列转移到另一个队列？进程控制进程控制1、进程控制的内容：创建进程；撤消进程；挂起进程；阻塞进程；唤醒进程等等。2、原语：为完成某些特定的功能而编制的一段系统程序。特点：不可中断。也称做“原子操作”。3、用于进程控制的原语：创建原语撤消原语唤醒原语阻塞原语创建原语n功能：创建一个进程。n流程：申请一个空PCB为新进程分配资源加入就绪队列有？Y报告出错信息撤消原语n功能：回收进程所占有所有资源。n流程：找到要撤消的进程收回进程所占有资源将PCB加入空PCB队列终止其所有子进程阻塞原语n进程由运行运行等待的状态转换。n流程：将进程状态改变为等待将进程PCB加入相应的等待队列转进程调度保存现场信息在PCB中唤醒原语 n功能：实现进程状态由等待就绪的转换。n流程：从等待队列中找到该进程将进程状态改变为“就绪”将进程加入就绪队列若进程具有较高优先级，则设置重新调度标志3.4 UNIX系统中的进程nUNIX进程的组成nUNIX进程的状态nUNIX进程的创建和终止nUNIX进程的换入、换出nUNIX进程的睡眠与唤醒1、UNIX进程的组成n进程控制块、正文段、数据段三部分组成n进程控制块 P46n基本块：nproc结构n常驻内存n包含信息：标识信息、有关进程非常驻主存部分的信息，进程调度的信息，其它信息。n扩充块：user结构，磁盘对换区n包含信息：标识、现场保护、主存管理、文件读写、系统调用、进程控制与管理。1、UNIX进程的组成n正文段 P50n含义：供多个进程共享的程序。n正文表text：指出正文段在主存和磁盘上的位置、段的大小、共享进程数等。1、UNIX进程的组成n数据段：三部分组成n用户栈区n用户数据区n系统工作区n核心栈nUser区n进程数据结构之间的联系：P51 图3-9 2、UNIX进程的状态nP52 图3-10n创建：用fork系统调用n就绪n内存就绪n交换区就绪n睡眠n内存睡眠n交换区睡眠n运行n僵死：用exit系统调用3、UNIX进程的创建和终止nUNIX进程树 P53 图3-11n0号进程：交换进程，核心态n进程调度n进程在主存和磁盘进行交换n1号进程n用户态n初始化进程n用户注册时创建login进程nLogin进程n注册成功时创建SHELL进程nSHELL进程n用户进程进程的创建n用fork创建进程（0、1号进程除外）n子进程可以共享父进程的正文段和已打开的文件n父子进程可以并发执行nFork的主要工作：n在进程表PROC中找一个表项n为子进程分配一个唯一的标识号n把父进程的proc复制到子进程的proc中n按父进程的p-size分配内存进程的终止n用EXIT终止自己n用WAIT等待子进程结束n用EXEC执行命令nP55 图3-13 表示了系统调用之间的关系进程的换入换出n由0号进程完成n执行sched 程序，流程见P56的图3-14nRunout和runin标志的作用nRunout：对换区中没有要换进的进程，置1nRunin：没有可换出的进程，置“1”nUNIX规定：一个进程被换出前必须至少在内存中驻留2S。进程的睡眠与唤醒n进程的睡眠n睡眠的原因n睡眠的时机nSleep 程序n判断runin标志n进程的唤醒n唤醒的时机nWakeup 程序n判断runout标志3.5 中断技术n中断驱动/事件驱动n中断的含义n中断的分类n中断系统：硬件与软件的结合n中断响应过程n中断优先级和中断屏蔽.unix 中断n中断事件和异常情况n处理器状态字n中断级别：级n级：异常情况n级：软件中断n：硬件中断n中断处理过程：现场保护、分析处理、恢复现场三个阶段3.7 处理机调度输入设备输入井后备作业作业调度内存进程进程调度CPU批处理的作业调度n作业：用户让计算机完成的一次算题。n作业步：算题的步骤。编译、连接、运行。n作业控制方式：交互式和批处理方式。n后备作业：成批进入输入井的作业。n作业调度：从后备作业中选取若干个作业让它们进入主存储器，使它们有机会去获得处理器运行。n作业调度的必要条件：系统现有的尚未分配的资源可以满足被选作业的资源要求。作业调度算法n先来先服务算法n注意：不是先进入的一定先被选中，只有满足资源需求的作业才可能被选中。n计算时间短的作业优先算法n响应比高者优先算法：响应比响应比=等待时间/运行时间n优先数调度法n均衡调度算法：根据作业对资源的要求进行分类，作业调度轮流从不同类的作业中去挑选作业运行。例例：在一个单道批处理系统中，一组作业的提交时刻和运行时间如下表所示，试计算以下三种作业调度算法的平均周转时间。（1）先来先服务法。（2）短作业优先（3）响应比高者优先。作业 提交时间（小时）运行时间（小时）1 8：00 1 2 8：50 0.5 3 9:00 0.2 4 9:10 0.1（1）先来先服务算法：）先来先服务算法：8:009:009:30 9:42 9:48123460分钟分钟30分钟分钟12分钟分钟6分钟分钟（2）短作业优先算法：）短作业优先算法：8:00 8:50 9:00 9:10 9:12 9:18 9:48 123360分分12分分446分分230分分（3）响应比高者优先：）响应比高者优先：2的响应比的响应比=10/303的响应比的响应比=0/12因此，作业因此，作业2先调度运行先调度运行9:00 9:303的响应比的响应比=30/124的响应比的响应比=20/6因此，作业因此，作业4先调度运行先调度运行9:30 9:36最后，作业最后，作业3调度运行：调度运行：9:36 9:481243在一个多道程序系统，用户空间为100K，有四台打印机；采用在主存的作业不能移动的可变分区方式管理主存。主存空间采用最先适应分配算法，静态分配打印机；对作业采用计算时间短的作业优先调度算法管理。今有如下所示的作业序列，请分别列出各个作业的执行时间和周转时间。注意：忽略系统开销。综合应用题综合应用题 作业序列作业名进入输入井时间需计算时间 需打印机台数主存需求量JOB18.0时1小时2台20KJOB28.2时0.6小时1台60KJOB38.4时0.5小时1台25KJOB48.6时1小时3台20KJOB59.0时0.5小时2台20K答案及解析答案及解析作业名执行时间周转时间JOB18.0时1小时JOB29.0时1.4小时JOB310.1时2.2小时JOB410.6时3小时JOB59.6时1.1小时作业执行时间和周转时间如下表：解析解析n1、抓住几个关键时间点：（1）作业到达时：判断现有资源是否满足需求，若满足需求，调入内存。（2）作业运行结束时：首先释放占有的所有资源，然后判断剩余资源是否满足作业需求。这是要考虑调度算法。n2、特别提醒：作业调度的前提是现有资源满足作业的需求。解题过程解题过程（1）8.0时：job1到达，资源满足需求，分配资源并运行。（剩余资源80M，打印机2台）（2）8.2时：job2到达，资源满足需求，分配资源，装入内存。但CPU忙，入就绪队列。（剩余资源20M，打印机1台）（3）8.4时：job3到达，资源不能满足需求，在后备队列等待。（4）8.6时：job4到达，资源不能满足需求，在后备队列等待。（5）9.0时：job1运行结束，释放所有资源，此时剩余资源为：内存20M，20M，打印机3台。调度job2运行。（6）9.0时：job5到达，此时后备队列中有三个作业：job3、job4、job5。先判断资源是否满足需求，资源满足job4 或 job5 的需求，按短作业优先原则，先调度job5，就绪队列中有作业job5。（7）9.6时：job2运行结束，释放所有资源，此时剩余资源为：内存20M，60M，打印机2台。调度job5运行。（8）9.6时：后备队列中有job3、job4两个作业，剩余资源满足job3需求，进入就绪队列。解题过程解题过程（9）10.1时：job5运行结束，释放所有资源，调度job3运行。同时将job4装入内存，加入就绪队列。（10）10.6时：job3运行结束，释放所有资源，调度job4运行。（11）11.6时：job4运行结束，释放所有资源。解题过程解题过程进程调度n从就绪队列中按一定的策略选择一个进程，使其占有处理机。n进程调度的时机n正在运行的进程运行完毕。n正在执行的进程被阻塞，加入等待队列n时间片到n高优先级的进程进入就绪队列进程调度的评价指标n进程的等待时间nCPU的利用率n系统资源的利用率n响应时间n周转时间一般用平均周转时间来衡量一个调度算法的好坏。先来先服务法先来先服务法n根据进程到达就绪队列的次序，总是选择先到达的进程运行。n优点：公平性；管理简单。n由于进程到达的随机性，可能使系统中的短作业等待时间长。时间片轮转法（时间片轮转法（RR）n时间片：系统允许进程一次使用处理机的最长时间。n回忆：分时系统的工作原理。n工作原理：就绪队列中的进程，每次最多使用一个时间片。n硬件支持：计时器。时间片到，发生“计时中断”。n问题：时间片的大小如何确定？时间片的长短n就绪队列长短：越长，时间片越短。n响应时间的要求：n计算机的性能n进程切换的系统开销：一个进程让出处理机，另一个进程占有处理机。最高优先级调度算法n优先级的概念n优先数和优先级的区别n总是从就绪队列中选择优先级最高的进程。n问题1：优先级如何确定？n进程类别：系统进程，用户进程，前台，后台等n进程运行时间n作业的优先级等优先数调度法n问题2：当一个更高优先级的进程到达就绪队列时，如何处理？n抢占式n非抢占式：一旦分配CPU，就一直占用，直到主动放弃为止。n问题3：如果一个低优先级的进程在就绪队列中等待太长时间？n动态优先数动态优先数：进程的优先级随系统情况不断变化。多级轮转调度法n时间片轮转与优先数结合。n按优先级将作业排成不同的队列。n先按优先级调度，优先级相同的，按时间片轮转。n前台作业与后台作业n交互式作业n批处理作业调度实例低优先级就绪运行等待高优先级就绪次调度首先调度时间片到等待事件事件完成分析n有较好的响应时间nI/O作业的优先级高nCPU与设备之间的并行执行n给低优先级作业的时间片长一些进程切换n一个进程让出处理器，另一个进程占有处理机的过程。n进程的切换与中断事件有关。n交换进程的PSW来实现运行进程接受中断信号保护现场分析中断原因响应中断进程调度运行进程UNIX进程调度算法n动态优先数调度算法n优先数越小，优先权越高n只能运行一个时间片。n优先权的确定原则n核心态进程高于用户态进程n因时间片用完，降低其优先权n对进入睡眠的进程，根据等待事件的轻重缓急赋予不同的优先权n对累计使用CPU时间长的，降低其优先权UNIX进程优先级的确定n两类优先级两类优先级：用户优先级和核心优先级。n核心优先级高于用户优先级。n优先数越大，优先级越低。n两种方法：设置法和计算法n核心态进程的优先级由睡眠的原因决定。n用户进程的优先级：通过计算得到：优先数=当前CPU使用值/2+分界优先数进程调度的时机n进程调用SLEEP程序n进程终止。n进程从系统态返回用户态时n核心处理完中断后，进程回到用户态时n发现有更高优先级进程调度算法nSwtch程序：所有进程对CPU的使用和放弃都要通过Swtch程序。nSwtch程序的三个阶段：n保存当前进程的环境变量。若进程是0号进程，就省略此步骤。n从就绪队列中选出优先级最高的进程，将其从就绪队列中移出。n恢复选中进程的现场，令其投入运行。UNIX常用调度命令1、nohup命令 功能：以忽略挂起和退出的方式执行指定的命令。格式：nohup 命令 参数UNIX常用调度命令2、AT命令 功能：指定命令的执行时间。格式：AT 时间 命令 例：$AT 13：00 april 5$mail-s“happy birthday!”wangwen UNIX常用调度命令3、batch命令 功能：后台运行命令。作业运行时间取决于系统中提交的作业数量。格式：$batch$命令 +D结束4、jobs命令 功能：显示系统中正在运行的后台作业。格式：jobsUNIX常用调度命令（续）5、fg命令 功能：把后台作业移到前台执行。格式：fg 一个或多个进程的ID/%作业号/命令名6、bg命令 功能：把前台进程移到后台执行。格式：bg 一个或多个进程的ID/%作业号/命令名