计算机操作系统原理-3.ppt

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1、清华大学出版社清华大学出版社第第3章章 操作系统概述操作系统概述3.1 多道程序设计多道程序设计 3.2 进程的概念进程的概念 3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.4 进程控制进程控制 3.5 线程线程 清华大学出版社清华大学出版社3.1 多道程序设计多道程序设计 衡量一个系统效率的一个指标就是吞吐率衡量一个系统效率的一个指标就是吞吐率；即 吞吐率吞吐率=作业道数作业道数全部处理时间全部处理时间显然，系统效率与系统资源利用率密切相关，主要涉及：处理机、存储器、设备处理机、存储器、设备这样一些硬件资源的利用率问题。如果系统资源利用率高，则单位时间内完成的有效工作多；所以，提高系

2、统的吞吐量应当提高提高系统的吞吐量应当提高系统资源的利用率系统资源的利用率。下面通过例子说明处理机利用率与吞吐率的情况，如图图3.1所示。清华大学出版社清华大学出版社tAAt等待I/O的时间（6个t）（a）单道情况）单道情况11078BBtAAt（b）两道情况）两道情况1107189tt（c）四道情况）四道情况1107189BBAAC DC D2310图3.1 单道、两道和四道情况1421/8t=0.125道程序道程序/t2/9t=0.222道程序道程序/tAI/OAI/OBI/O4/11t=0.363道程序道程序/t下下一一步步A,B,C,D为程序，忽略外设；假定4个程序都需运行运行2个个t

3、时间，在期期间有间有6个个t时时间的间的I/O操作操作；吞吐率分别为：1/8=0.125 2/9=0.222 4/11=0.363 4道程序情况比单道提高了近 3 倍倍。显然不仅使内存充分利用，还带来处理机利用率的提高，使整个系统效率得以提高。下下一一步步结束结束下下一一步步3.1 多道程序设计多道程序设计 清华大学出版社清华大学出版社由图 3.1 可知多道下内存和处理机利用率得到显著提高。问题是内存存放程序数量是否越多越好呢？问题是内存存放程序数量是否越多越好呢？否定的！n 内存的容量限制了系统可同时处理程序的数目。n 物理设备的数量也是一个制约条件，如果内存中可同时运行的程序过多，这些程序

4、之间可能会因为相互等待被其它程序占用的设备资源（如I/O设备），反而可能会影响系统效率。n 程序道数过多对处理机的竞争更加激烈，可能会产生两个不利后果：n 程序道数过多对处理机的竞争更加激烈，可能会产生两个不利后果：影响系统的响应速度。产生过多的系统开销（系统本身运行的时空耗费）。系统同时接纳用户程序数目与系统功能和配置有关。由此，多道程序设计提高了系统效率，也带来了系统资源系统资源的竞争，因此要协调程序与资源的关系。的竞争，因此要协调程序与资源的关系。处理机、存储器和外部设备是计算机系统中重要的硬件资源，因而需要解决处理机资源管理、存储器分配和回收以及外部设备资源管理等问题。利用什么理论和机

5、制？利用什么理论和机制？3.1 多道程序设计多道程序设计 清华大学出版社清华大学出版社3.2 进程的概念进程的概念 在计算机和操作系统发展过程中，人们在不断的创新和总结经验，总结那些成功的大型系统软件的开发经验，同时也对导致失败的原因进行分析，从而提炼出了对编制各类系统软件的思想和理论，使操作系统软件不断地推陈出新。多道程序设计是操作系统最基本的思想多道程序设计是操作系统最基本的思想，然而系统如何协调各程序并发运行、资源共享，如何刻画可以运行的系统环境就需要一种指导思想、一种机制来实现。如图3.1中，A,D是根据什么原则和依据运行的，其中每个程序在系统中可知信息有哪些、是什么、怎样体现它们“走

6、走停停”的活动等，这就需要反映程序的一种动态性；在在程序的概念下是无法刻画系统中并发特性的程序的概念下是无法刻画系统中并发特性的。现代操作系统重要特征：并发、资源共享、现代操作系统重要特征：并发、资源共享、用户随机使用资源。这三个特点是互相联用户随机使用资源。这三个特点是互相联系和互相依赖的系和互相依赖的。采用一个什么样的概念来描述计算机程序的执行过程和作为资源分配的基本单位才能充分反映操作系统这些特点，这个概念就是进程这个概念就是进程。清华大学出版社清华大学出版社 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 前驱图的定义前驱图的定义 前驱图（Procedence Graph）是一个有向无环

7、图DAG（Directed Acyclic Draph），是用来反映和研究系统内所发生事件之间的一种关系。(pi，pj)|pi 必须在pj 开始之前完成。如果(pi，pj)，可写成pi pj，称pi是pj 的前驱，而pj是pi的直接后继。没有前驱的结点为初始结点，没有后继的结点为终止结点。3.2 进程的概念进程的概念 清华大学出版社清华大学出版社 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 前驱图的定前驱图的定义义 图3.2 给出了7个结点的前驱图。在该图中，存在下面一些前驱关系：P1 P2，P1 P3，P4 P6，P6 P7，或表示为：P P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7(P1，P

8、2),，P1，P3)，(P5，P7),(P6，P7)1234756图3.2 具有7个结点的前驱图3.2 进程的概念进程的概念 清华大学出版社清华大学出版社 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的顺序执行程序的顺序执行 程序是指令（或语句）的程序是指令（或语句）的集合，指令之间是顺序关集合，指令之间是顺序关系系，是一个静态的概念是一个静态的概念。其执行过程可以描述为：Repeat：IR Mpc pc pc+1 执行 IR 中指令Until CPU halt这里IR为指令寄存器，pc为程序计数器，M为存储器。显然，程序的顺序程序的顺序性与计算机硬件的顺序性性与计算机硬件的顺序性是一致

9、的是一致的。我们把具有独立功能的程序独占处理机直至最终结束的过程称为程序的顺序执行程序的顺序执行。程序的顺序执行程序的顺序执行3.2 进程的概念进程的概念 清华大学出版社清华大学出版社假定用 I、C和 P分别表示输入、计算和输出操作（也可以为语句），可以有图 3.3 的前驱图。I1C1P1I2C2P2（a）两两个个程程序序的的前前驱驱图图（单道情况）（单道情况）图 3.3 程序的前驱图S1S3S2（b）三个语句表示的三个语句表示的前驱图前驱图a=10；b=a+8；Print（b）；S1：S2：S3：3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的顺序执行程序的

10、顺序执行 清华大学出版社清华大学出版社考虑时间上关系，可有下面示例，如图 3.4 所示。t输入：输入：计算：计算：输出：输出：I1C1P1I2C2P2I3C3P3 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10图图3.4 3.4 三个程序间顺序执行三个程序间顺序执行t程序1：I1C1P1程序2：程序3：I2C2P2I3C3P39个个t 结束结束3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的顺序执行程序的顺序执行 清华大学出版社清华大学出版社程序顺序执行具有如下 3 个特点：n 顺序性；顺序性；顺序执行行过程可看作一系列严格按程序规定的状态

11、转移过程。n 封闭性；封闭性；程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定，不受外界因素的影响不受外界因素的影响。n 可再现性；可再现性；只要输入的初始条件相同，则无论何时重复执行该程序都会得到相同的结果。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的顺序执行程序的顺序执行 程序顺序执行的特性为程序员检测程序顺序执行的特性为程序员检测和校正程序错误带来很大的方便！和校正程序错误带来很大的方便！清华大学出版社清华大学出版社 多道程序系统中程序执行环境的变化多道程序系统中程序执行环境的变化 计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序同时处理多个具有独立功能的程序。如

12、图3.1 所示。多道的执行环境具有如下 3 个特点：n 独立性；独立性；每道程序都是逻辑上独立的。n 随机性；随机性；多道程序环境下，特别是多用户环境下，程序和数据输入与执行开始时间都是随机的。n 资源共享；资源共享；资源共享将导致对程序执行速度的制资源共享将导致对程序执行速度的制约约。外设有限将导致这些设备被共享、内存有限将导致内存被共享等。对单CPU系统更如此。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社对于图对于图 3.4，对于任意程序，存在着 IiCiPi 这样的前驱关系，因而对一个用户程序的输入、计算和打印这三个操作，必须顺序

13、执行，但在多道环境下多道环境下，并不存在，或并不要求并不要求PiIi+1 关系，即关系，即Ii、Cj 和和 Pk（ijk）之间并不存在前驱）之间并不存在前驱关系关系，因而在对一批程序处理时，可使它们并发执并发执行行。这就产生了并发操作，见图 3.5 所示。t输入：输入：计算：计算：输出：输出：I1C1P1I2C2P2I3C3P3 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10图图3.4 3.4 三个程序间顺序执行三个程序间顺序执行t3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社 输入：计算：输出：t0 t1 t2 t3

14、 t4 t5 t6tttI1图3.5 三个程序并发执行的前驱图I2I3C1C2C3P1P2P3时间:5个t并行并行并行并行并行并行结束结束下下一一步步下下一一步步下下一一步步前驱关系执行顺序3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社n 程序内保持 IiCiPi 程序逻辑顺序性。n 存在IiIi+1；CiCi+1;PiPi+1;表明系统资源竞系统资源竞争争带来顺序性前驱关系顺序性前驱关系。n 不同程序之间 Ii+2、Ci+1 和和Pi，没有前驱关系，说明可以并发执行并发执行，这是系统的并系统的并发性发性，提高(9-5)/9x100%=4

15、4%。I1I2I3C1C2C3P1P2P33.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 多道程序系统中程序执行环境的变化多道程序系统中程序执行环境的变化 清华大学出版社清华大学出版社应当说明，抛开典型的I、C、P关系，一个程序内部语句之间在并发环境下依然有并发执行的情况，如4条语句构成的程序段：程序内部各程序段间是否程序内部各程序段间是否具备并发执行是由它们之间依具备并发执行是由它们之间依赖关系所决定赖关系所决定。关于程序并行性挖掘属于并行研究课题。S0S2S1图3.6 四条语句的前驱图 S0：x=a+10；S1：y=b-a；S2：z=x+y-10；S3：prin

16、t（z）；（b）（a）S3结束结束3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社 程序的并发执行程序的并发执行 并发性是增强计算机系统的处理能力和提高资源利并发性是增强计算机系统的处理能力和提高资源利用率所采取的一种技术用率所采取的一种技术。程序的并发执行通过前面的分析可分为两种：n 多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发执行程序的并发执行。多道程序并发执行在宏观上是同宏观上是同时时进行的，但在微观上仍是顺序微观上仍是顺序执行的。n 并发执行是在某道程序的几个程序段中，包含着一部分可

17、以同时执行或顺序颠倒执行的代码。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社 在时间上来表示，并发执行是一个程序的开始是在另并发执行是一个程序的开始是在另一个程序结束之前一个程序结束之前。如图3.7 表示：ABCt t0 t1 t2 t3 t4 t5图3.7 三个程序（段）在执行时间上的重叠ABAC3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的并发执行程序的并发执行 清华大学出版社清华大学出版社程序并发执行产生与顺序执行有所不同的新特征与顺序执行有所不同的新特征：n 间断性间断性；程序在并发执行时，由

18、于它们共享资源或为完成某一项任务而合作，致使在并发程序之间并发程序之间存在相互制约的关系。存在相互制约的关系。如图 3.5 中，I、C、P是三个相互合作的程序，当计算程序完成Ci-1 的计算后，如果输入程序 I 尚未完成对Ii 的处理，则计算程序无法进行Ci处理，致使计算程序暂停运行。这时程序的顺序性演变成间断性。对于程序的间断性，更一般的情形参见图1.6 所示 I1I2I3C1C2C3P1P2P33.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的并发执行程序的并发执行 清华大学出版社清华大学出版社n 失去封闭性；失去封闭性；程序在并发执行时，是多个程序共共享系

19、统中的各种资源享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由多资源的状态将由多个程序来改变个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性致使程序的运行失去了封闭性。当处理机资源被其它程序占用时，有条件运行的任何程序都必须等待。n 不可再现性；不可再现性；程序在并发执行时，由于失去了封由于失去了封闭性，也导致失去了可再现性闭性，也导致失去了可再现性。考察两个例子来说明这个问题：3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序的并发执行程序的并发执行 清华大学出版社清华大学出版社例例1：两个程序A和B共享一个变量 N(当前值为 n)。程序程序A：N=N+1;程序程序B：pri

20、nt(N)；N=0;在处理机上执行关于N的3条指令，由于并发性，有理由假定3个可能的执行序列个可能的执行序列：N=N+1;print(N);N=0;(完全顺序AB)print(N);N=0;N=N+1;(完全顺序BA)print(N);N=N+1;N=0;(B,A交替运行)n1，n1，0，最终，最终N的结果为的结果为 0 n，0，1，最终最终N的结果为的结果为 1 n，1，0，最终最终N的结果为的结果为 0 该情形说明程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果已与计算结果已与并发程序的并发程序的执执行速度行速度有关，有关，使程序也失去失去可再现性可再现性。下下一一步步3.2 进程的概念进程

21、的概念 程序的并发执行程序的并发执行 清华大学出版社清华大学出版社例例2：假定一个航班售票系统运行在一个多终端分时系统上共享主机系统数据（库）资源，并在一个城市有两个终端售票机B1，B2，任意航班的座位按顺序预定，简单座位形式如图3.8所示；其中黑色部分表示已售，空白部分为未售。设定有n排，每排m个座位（n，m1），又假定座位按顺序预定。两个终端售票机B1、B2有下面虚线框的公共数据（库）与相同的预定程序；3.2 进程的概念进程的概念 清华大学出版社清华大学出版社varrow，col:integer;ticketnm:integer;procedure booking 1：begin 2：if

22、 row=n 3：begin 4：ticketrowcol:=1;赋值1表示已售 5：write(“座位：”row“排”，col“号”);6：col=col mod m+1;7：if col=1;8：row=row+1;9：end 10：else 11：write（“座位已售完！”）;12：end共共 享享 数数据据1 2 3 4 m1234in图3.8 航班座位示意图：begin：if row=n：begin：ticketrowcol:=1;：write(“座座位位：”row“排排”，col“号号”);：begin：if row=n：begin：ticketrowcol:=1;：write(

23、“座座位位：”row“排排”，col“号号”);B1：B2：12345中断中断12345当前位置当前位置row=3；col=4 row=3；col=4 row=3；col=4 结束结束清华大学出版社清华大学出版社 前面例子说明了如下问题：在某些情况下，程序的并发执行使得执行结果不再具有封闭性和可再现性，且可能造成出现错误（执行结果受执行速度执行结果受执行速度影响的结果影响的结果）。为了使在并发执行时不出现错误结果，必须采采取某些措施来制约、控制各并发程序段执行速度取某些措施来制约、控制各并发程序段执行速度。这样就有了下面的问题:3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和

24、程序执行 程序的并发执行程序的并发执行 清华大学出版社清华大学出版社 程序并发执行的条件程序并发执行的条件 为保持可再现性，就需要考察程序并发执行条件为保持可再现性，就需要考察程序并发执行条件。可以将并发执行过程描述为：S0Cobegin P1；P2；.Pn；Coend SnS0，Sn分别表示并发程序段P1，P2，Pn开始执行前和并发执行结束后的语句。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行清华大学出版社清华大学出版社 1966年Bernstein 提出了相邻语句S1，S2可以并发执行的条件：语句Si划分为两个变量集合R(Si)和W(Si)；分别为 Si 的读

25、集和写集。其中，R(Si)=a1，a2，am是语句Si在执行期间对其进行参考的变量；aj(j=1，m)。W(Si)=b1，b2，bn是语句Si在执行期间对其进行访问的变量；bj(j=1，n)。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序并发执行的条件程序并发执行的条件 清华大学出版社清华大学出版社如果对于语句 S1 和 S2，有 R(S1)W(S2)=，即S1读变量不是S2 修改的变量。W(S1)R(S2)=，即S2读变量不是S1 修改的变量。W(S1)W(S2)=，即双方都不修改相同的变量。如有语句 cab 和w c1，其“读集”和“写集”分别为：R(ca

26、b)a，b；W(cab)c R(wc1)c ；W(wc1)w R(cab)W(wc1)R(wc1)W(cab)c 所以：两条语句不能并发执行。如果并发执行的各程序段中语句或指令满足上述Bernstein 的三个条件（同时成立），则认为并发执行不会对执行结果的封闭性和可再现性产生影响（证明略）。但在一般情况下，这个条件对于软件设计（模块化）过于这个条件对于软件设计（模块化）过于苛刻，系统要判定并发执行的各程序段是否满足苛刻，系统要判定并发执行的各程序段是否满足Bernstein 条件是相当困难的条件是相当困难的。从而，如果并发执行的程序段不按照特定的规则和方法进行资源共享和竞争，则其执行结果将不

27、可避免地失去封闭性和可再现性。3.2 进程的概念进程的概念 程序并发执行的条件程序并发执行的条件 清华大学出版社清华大学出版社根据Bernstein 条件，我们不能通过限制程序的编写方式和内容来获得系统的可再现性，因此解决此问题可能需要解决此问题可能需要依靠控制程序的执行过程来解决依靠控制程序的执行过程来解决。因为操作系统用户随机性与各道程序逻辑独立的特点将使得每个用户程序所使用的软、硬件资源都受到其他并发程序的共享和竞争，从而得到非预料的或不正确的结果。为了控制和协调各程序执为了控制和协调各程序执行过程中的软、硬件资源的共享和竞争行过程中的软、硬件资源的共享和竞争，显然，必须应有必须应有一个

28、描述各程序段执行过程和共享资源的一个描述各程序段执行过程和共享资源的基本单位基本单位。从上述讨论可以看出，由于程序的顺序性、静态性以及孤立性，用程序段作为描述其执行过程和共享资源的基本单用程序段作为描述其执行过程和共享资源的基本单位位既增加操作系统设计和实现的复杂性，也无法反映操作无法反映操作系统所应该具有的程序段执行的并发性、用户随机性，以系统所应该具有的程序段执行的并发性、用户随机性，以及资源共享等特征及资源共享等特征。也就是说，用程序作为描述其执行过程以及共享资源的基本单位是不合适的。需要有一个能描能描述程序的执行过程且能用来共享资源的基本单位述程序的执行过程且能用来共享资源的基本单位。

29、这个基本单位被称为进程（或任务）进程（或任务）。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.1 前驱图和程序执行前驱图和程序执行 程序并发执行的条件程序并发执行的条件 清华大学出版社清华大学出版社 3.2.2 进程的描述进程的描述 进程的概念是60年代初期，人们对进程下过许多各式各样的定义：进程的定义进程的定义 n 进程是可以并行执行的计算部分（S.E.Madnick）n 进程是一个独立的可以调度的活动E.Cohen，）n 进程是一抽象实体，当它执行某个任务时，将要分配和释放各种资源（P.Denning）n 行为的规则叫程序，程序在处理机上执行时的活动称为进程（E.W.Dijkstra）3.2 进程

30、的概念进程的概念 清华大学出版社清华大学出版社n一个进程是一系列逐一执行的操作，而操作的确切含义则有赖于以何种详尽程度来描述进程（Brinch Hansen）n 进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 n 进程在给定的活动空间和初始状态下处理机的进程在给定的活动空间和初始状态下处理机的一次执行过程。一次执行过程。以上定义尽管各有侧重，但在本质上是相同的。进程是一个动态的执行过程动态的执行过程这一概念。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.2 进程的描述进程的描述 进程的定义进程的定义 清华大学出版社清华大学出版社进程和程序既有联系又有区别，主要区别如下：n

31、 进程是动态概念动态概念，而程序则是静态概念静态概念。程序是指令的有序集合，没有任何执行含义。而进程则强进程则强调执行过程，它动态创建，并被调度执行后消亡调执行过程，它动态创建，并被调度执行后消亡。n 进程有并行并行(单机单机并发并发)特征，即独立性和异步性。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.2 进程的描述进程的描述 进程的定义进程的定义 n 进程是竞争计算机系统资源的基本单位。清华大学出版社清华大学出版社n 不同进程可以对应不同程序，也可以为同一程序，只要所对应的数据集不同。当一个程序多次被执行时，每次执行都可以是一个不同进程。n 作为被控制和管理的实体，除了程序本身和所需数据集之外，应

32、包括控制和管理信息。由此，进程的特征可以简单概括为：动态性、并动态性、并发性、独立性、异步性和结构性发性、独立性、异步性和结构性。3.2 进程的概念进程的概念 3.2.2 进程的描述进程的描述 进程的定义进程的定义 清华大学出版社清华大学出版社 作业和进程的关系作业和进程的关系 作业与进程的区别与关系：n 作业作业是外存中作业等待队列中静态实体。而进程进程则是完成用户任务的执行实体，是向系统申请分配分配资源的基本单位资源的基本单位。n 一个作业可由多个进程组成。且必须至少由一个进程组成，但反过来不成立。n 作业的概念主要用在批处理系统中作业的概念主要用在批处理系统中。而进程的而进程的概念则用在

33、几乎所有的多道系统中概念则用在几乎所有的多道系统中 3.2 进程的概念进程的概念 3.2.2 进程的描述进程的描述 清华大学出版社清华大学出版社 进程的类型进程的类型 n 系统进程；系统进程；属于操作系统用于完成系统的某些功能；现代操作系统中设置了很多系统进程，他们都运行在管态运行在管态，其优先级一般高于用户进程优先级一般高于用户进程。n 用户进程用户进程；从外存调入内存，建立相应信息结构成为系统资源分配和调度的运行实体成为系统资源分配和调度的运行实体。当然，所谓用户进程并不一定是指用户所编写的程序不一定是指用户所编写的程序；编译程编译程序序的运行是在用户态下运行的，因而也看成是用户是用户进程

34、进程。系统软件=系统进程？3.2 进程的概念进程的概念 3.2.2 进程的描述进程的描述 清华大学出版社清华大学出版社3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 进程由三部分组成进程由三部分组成：进程控制块进程控制块PCB（Process Control Block），程序段程序段和数据（结构集）数据（结构集）。PCB程序程序代码代码图3.9 进程的组成（a）（b）程序程序代码代码PCB数数据据集合集合进程控制块是进程动态特征的集中反映，是系统建立和感知进程的唯一实体，因此，一个进程的PCB结构是常驻内存的。清华大学出版社清华大学出版社在进程并发执行时，由于资源共享，带来各进程之间的相互

35、制约。为了反映这些制约关系和资源共享关系，在创建一个进程时，应首先创建其 PCB，然后才能根据PCB 中信息对进程实施有效的管理和控制管理和控制。当一个进程完成其功能之后，系统则释放PCB，进程也随之消亡。3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 清华大学出版社清华大学出版社图3.10 进程控制块信息标识符信标识符信息息 进程标识进程标识符符 进程名进程名进程号进程号用户标识用户标识 用户名用户名用户号用户号家族联系家族联系 父进程父进程子进程子进程标识符信息进程标识符进程名进程号用户标识用户名用户号家族联系父进程子进程处理机状态信息（现场）通用

36、寄存器指令计数器程序状态字用户栈指针进程调度信息进程状态进程优先数（级/权）等待原因调度算法参数等进程控制信息程序和数据地址进程同步和通信机制资源清单链接指针访问权限打开的文件3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 PCB 清华大学出版社清华大学出版社图3.10 进程控制块信息处理机状态信息处理机状态信息（现场）（现场）通用寄存器通用寄存器指令计数器指令计数器程序状态字程序状态字用户栈指针用户栈指针3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 清华大学出版社清华大学出版社图3.10 进程控制块信息进程调度信息进程调度信息 进程状

37、态进程状态进程优先数（级进程优先数（级/权）权）等待原因等待原因调度算法参数等调度算法参数等3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 清华大学出版社清华大学出版社图3.10 进程控制块信息进程控制信息进程控制信息 程序和数据地址程序和数据地址进程同步和通信机制进程同步和通信机制资源清单资源清单链接指针链接指针访问权限访问权限打开的文件打开的文件3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 清华大学出版社清华大学出版社 进程控制块进程控制块 不同操作系统PCB中信息的数量和内容不尽相同；图3.10列出一般

38、操作系统所具有的基本内容。n 标识信息标识信息；通常存在两个标识，一个是由用户（进程）访问该进程时使用的外部标识符外部标识符，称为进程名。另一个是内部标识符，通常为一整数内部标识符，通常为一整数，称为进程号称为进程号。所属用户也存在用户标识，同样有外部和内部用的用户标识。家族联系是用于记录父进程与子进程的联系指针。3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 清华大学出版社清华大学出版社n 处理机状态信息处理机状态信息；当前进程的 CPU现场；包括程序计数器PC、程序状态字PSW及寄存器等。n 进程调度信息进程调度信息；进程状态、优先级，及等待时间和

39、运行时间等是提供进行进程切换的依据。n 进程控制信息；地址及占用空间大小；进程同步和通信机制；资源清单一般用于记帐。链接指针用于构建PCB队列。访问权限用于控制对系统资源的访问权利等。3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 进程控制块进程控制块 清华大学出版社清华大学出版社如前所述，进程控制块PCB 是系统感知进程存在的唯一实体。通过对PCB 的操作，系统为有关进程分配资源从而使得有关进程得以被调度执行。当进程执行结束后，则通过释放PCB 来释放进程所占有的各种资源。进程控制块PCB 是系统感知进程存在的唯一实体正是由于建立了正是由于建立了PC

40、B，进程才成，进程才成为了资源分配、为了资源分配、CPU调度的单位调度的单位3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.1 进程控制块进程控制块PCB 进程控制块进程控制块 清华大学出版社清华大学出版社为实现对进程的管理，系统需要对进程控制块以某种策略进行组织。通常，组织方式主要有以下两种：n 链接方式链接方式；通常将具有相同状态进程的PCB根据PCB结构内链接指针，将进程PCB链接在一起，形成就绪队列就绪队列、阻塞队列阻塞队列以及空闲队列空闲队列。由于不同操作系统的规模和功能不同，可进一步建立若干个就绪队列和阻塞队列。这里使用“队列”这一术语，但PCB入队列和出队列不一定完全按

41、照FIFO的次序，这与操作系统对进程的管理策略有关，不失一般性，这里仍采用队列这一术语。图3.11给出了链接形式的PCB组织。执行指针执行指针就绪队列就绪队列1指针指针图3.11 链接队列的PCB示意图就绪队列就绪队列2指针指针阻塞队列阻塞队列1指针指针阻塞队列阻塞队列2指针指针空闲队列指针空闲队列指针0PCBnnPCBi0PCB125PCB110PCB10iPCB90PCB83PCB710PCB612PCB50PCB40PCB39PCB26PCB13.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 进程控制块组织进程控制块组织 清华大学出版社清华大学出版社n 索引方式索引方式；索引方式就是根据

42、进程的不同状态建立几个索引表，如就绪索引表就绪索引表、阻塞索引表、空闲表阻塞索引表、空闲表等。索引表中的每一项指示一个PCB在内存的首地址，而各索引表的各索引表的起始地址存放在内存的专用指示单元中起始地址存放在内存的专用指示单元中。图3.12 给出了索引方式的PCB组织。PCBnPCB12PCB11PCB10PCB9PCB8PCB7PCB6PCB5PCB4PCB3PCB2PCB110841n117612359 执行指针执行指针 阻塞表指针阻塞表指针 就绪表指针就绪表指针 空闲表指针空闲表指针图3.12 索引方式的PCB示意图3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 进程控制块组织进程控

43、制块组织 清华大学出版社清华大学出版社3.3.2 进程状态及其转换进程状态及其转换 进程状态进程状态 进程可能由于等待I/O操作、竞争资源、以及相互协作等原因产生了“走走停走走停停停”的动态性。因此，进程在生存期内至少具有三种基三种基本状态本状态：事件发生事件发生如如I/O完成完成图3.13 进程三状态及转换图运行运行就绪就绪等待事件发生等待事件发生如等待如等待I/O时间片到时间片到调度调度阻塞阻塞系统态系统态用户态用户态3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 清华大学出版社清华大学出版社n 运行状态运行状态；PCB中状态 项为“运行”。等待事件发生等待事件发生如等待如等待I/O事件

44、发生事件发生如如I/O完成完成运行运行就绪就绪时间片到时间片到调度调度阻塞阻塞系统态系统态用户态用户态n 就绪状态就绪状态；进程其它运行条件都已满足，正在等待分派处理机。根据PCB组织方式及优先级等排成一个，或多个就绪队列。n 阻塞状态阻塞状态；因等待某事件发生而暂时无法运行，即使处理机空闲也无法在处理机上运行。同样可有多个阻塞队列。3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.2 进程状态及其转换进程状态及其转换 进程状态进程状态 清华大学出版社清华大学出版社运行、就绪、阻塞是进程的三个基本状态，而操作系统的规模和设计目的不同，在有些系统中，还增加了两个基本状态，新建状态、完成状

45、态/或终止状态/结束状态，这两个状态对进程管理是非常有用的。n 新建状态新建状态；对应于刚刚定义的进程，还未进入就绪队列的状态，此时系统未将进程全部工作完成（如内存尚待分配等）。如果一个新用户试图登陆到分时系统，新的批处理作业被选中准备投入内存；只有进程代码和数据进入内存，才进入就绪队列。新建进程常见事件见表3.1。基于模块化，或为了并发性，用户程序可以指示创建多个进程由现有的进程派生操作系统可以创建一个进程，代表用户程序执行一个功能（输出进程帮助用户实现数据输出，使用户无需等待）操作系统因提供一项服务而创建终端用户登陆到系统交互登陆通常位于磁带，更一般地位于磁盘上的批处理作业流提供给操作系统

46、。当操作系统准备接纳新任务时，将调入选中的若干作业新的批处理作业说明事件表3.1 导致进程创建的原因3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.2 进程状态及其转换进程状态及其转换 清华大学出版社清华大学出版社n 完成状态完成状态；指进程正常，或非正常结束而终止的状态。处于该状态的进程还未从系统中消失，可能由于一些善后工作尚未完成（如记帐，未完成的输出等）。但处于这种状态的进程以后不再被调度执行。表3.2 给出了进程完成，或终止的一些原因。图 3.14 给出了五个状态的进程状态图 3.3 进程控制块和状态转换进程控制块和状态转换 3.3.2 进程状态及其转换进程状态及其转换 进程

47、状态进程状态 清华大学出版社清华大学出版社事件 说明正常完成进程执行完任务，自行执行一个操作系统服务调用，表示已经结束运行无可用内存系统无法满足进程所需要的内存空间父进程终止当一个父进程终止，操作系统自动终止所有子孙进程父进程请求父进程具有终止后代进程的权利时间超出进程等待某一事件发生的时间超过了规定的最大值地址越界进程试图访问不允许访问的内存单元保护权限错进程试图使用不允许使用的资源或文件，或以一种不正当方式使用，如向只读文件进行写的操作数据溢出执行了除“0”，或机器硬件无法表示的数据I/O失败在输入输出期间发生错误，如查不到所需求的文件，I/O设备经过多次启动失败（一般3-5次），从打印设

48、备读取数据等特权指令/无效指令进程在用户态执行特权指令，或执行了一条不存在的指令（如进入数据区，执行数据）数据误用进程使用未初始化，或类型错误的数据系统操作员/操作系统干涉由于某些原因，系统操作员，或操作系统终止进程（如系统可能存在死锁）表表3.2 导致进程终止的原因导致进程终止的原因清华大学出版社清华大学出版社图图3.14 3.14 进程五进程五状态及转换图状态及转换图事件发生如I/O完成运行运行就绪就绪等待事件发生如等待I/O时间片到调度阻塞阻塞新建新建完成完成接纳终止系统设置多少状态系统设置多少状态与系统对进程管理与系统对进程管理方式有关，也与系方式有关，也与系统资源利用有关统资源利用有

49、关但要注意，系统中设置过多状态会造成系统参数和状态转换过程增加进程在生存期间进程在生存期间，可以多次地从一个状态转换到状态转换到另一个状态另一个状态，即多次地处于运行状态运行状态、就绪状态就绪状态、阻塞状态阻塞状态，反映了并发程序“走走停停走走停停”的运行轨迹。进程不断地从一个状态转换到另一个状态是有条件，或原因的。这些状态随着进程的执行和外界条件发生变化而转换。事实上，进程的状态转换是一个非常复杂的过程。从一个状态到另一个状态的转换除了不同的控制过程，有时还要借助于硬件才能完成。基于模块化，或为了并发性，用户程序可以指示创建多个进程由现有的进程派生操作系统可以创建一个进程，代表用户程序执行一

50、个功能（输出进程帮助用户实现数据输出，使用户无需等待）操作系统因提供一项服务而创建终端用户登陆到系统交互登陆通常位于磁带，更一般地位于磁盘上的批处理作业流提供给操作系统。当操作系统准备接纳新任务时，将调入选中的若干作业新的批处理作业说明事件表3.1 导致进程创建的原因标识符信息进程标识符进程名进程号用户标识用户名用户号家族联系父进程子进程处理机状态信息（现场）通用寄存器指令计数器程序状态字用户栈指针进程调度信息等待原因调度算法参数等进程控制信息程序和数据地址进程同步和通信机制资源清单链接指针访问权限打开的文件进程优先数进程优先数=45新建新建标识符信息进程标识符进程名进程号用户标识用户名用户号