Operating System -Lecture4 進程描述與狀態(tài)

1、Lecture 4:進程表示與進程 狀態(tài)變化目的與要求:理解進程概念,掌握進程在系統(tǒng)中的表示方法，理解進程的創(chuàng)建及其狀態(tài)變化。重點與難點：進程表示與進程創(chuàng)建,狀態(tài)轉換。操作系統(tǒng)中最核心的概念是進程：對正在運行程序的一個抽象。操作系統(tǒng)的其他所有內(nèi)容都是圍繞著進程的概念展開的。在一個多道程序設計系統(tǒng)中，CPU在各進程之間切換。處理機管理進程管理1. 為什么要引入進程的概念？程序的順序執(zhí)行：在任何時刻，機器只執(zhí)行一個操作，只有在前一個操作執(zhí)行完后，才能執(zhí)行后繼操作。例：作業(yè)i的輸入操作、計算操作和打印操作分別用Ii、Ci、Pi表示。則順序執(zhí)行過程為：I1I2I3P1C1P2P3C2C3程序的順序執(zhí)行

2、S1: a = x+y;S2: b = a-5;S3: c = b+1;程序語句的順序執(zhí)行程序順序執(zhí)行特點：順序性資源獨占性，封閉性 程序在運行時獨占全機資源。因此，這些資源的狀態(tài)只能由這個運行的程序決定和改變?？稍佻F(xiàn)性 只要初始條件相同，無論程序是連續(xù)運行，還是斷斷續(xù)續(xù)地運行，程序的執(zhí)行結果與其執(zhí)行速度無關。優(yōu)點： 由于順序程序的封閉性和可再現(xiàn)性， 為程序員調(diào)試程序帶來了很大方便。缺點： 由于資源的獨占性，使得系統(tǒng)資源利用率非常低。多道程序設計：同一時刻內(nèi)存中存放了多個作業(yè)，處理器交替運行不同的作業(yè)。提高了系統(tǒng)的效率，尤其是資源利用率。特點：多道宏觀上并行微觀上串行 問題系統(tǒng)管理復雜化程序的

3、并發(fā)執(zhí)行：計算機同時運行幾個程序, CPU要不斷地在幾個程序之間切換。程序A程序BCPUI/Otime資源例: 作業(yè)i的輸入、計算和輸出操作分別用Ii、Ci、Pi表示。雖然同一作業(yè)中的輸入、計算和輸出必須順序執(zhí)行，但對一批作業(yè)而言，情況就不同了。I1I2I3I4P1C1P2P3C2C3P4C4并發(fā)執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行程序并發(fā)執(zhí)行帶來的新特征:資源共享性，失去了封閉性； 在并發(fā)執(zhí)行時，多個程序共享系統(tǒng)中的各種資源，因而這些資源的狀態(tài)將由多個程序來改變，致使程序的運行失去了封閉性。制約性； 因共享資源或協(xié)調(diào)完成同一任務而引起的。程序執(zhí)行的間斷性；結果不可再現(xiàn)。例: 有程序A和B，共享一個變量N。以不同的速

4、度運行。 program A: program B:S1: N = 1 ; S3: N = 0 ; S2: N=N+1; print(N); S1,S2和S3的運行順序 print(N)S1-S2-S3 0S1-S3-S2 1S3-S1-S2 2a = n /n表示剩余的票數(shù)if (a=1) a = a-1; /售出一張票 n = a; a = n /n表示剩余的票數(shù)if (a=1) a = a-1; /售出一張票 n = a; 因為這種錯誤和相對執(zhí)行速度有關，因此稱為與時間有關的錯誤。服務器售票員A售票員B分時系統(tǒng)結論： 程序的并發(fā)執(zhí)行使得程序的執(zhí)行情況不可預見，其結果不再唯一，成為一個動態(tài)

5、的過程。而程序是一個靜態(tài)的概念，不再能切實反映程序執(zhí)行的各種特征（獨立性、并發(fā)性、動態(tài)性）?！斑M程”MIT：60年代初，MULTICS系統(tǒng)中提出；IBM：CTSS/360系統(tǒng)，Linux系統(tǒng)等稱為“任務”(task)。進程的概念是為了描述系統(tǒng)中各并發(fā)活動而引入的。較典型的進程定義有： (1) 進程是程序的一次執(zhí)行。 (2) 進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動。 (3) 進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上運行的過程，它是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。 我們可以把傳統(tǒng)OS中的進程定義為：“進程是程序的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位”。 進程具有的特性動態(tài)性。進

6、程是程序的一次執(zhí)行過程，是臨時的，有生命期的。獨立性。進程是系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。并發(fā)性。多個進程可在處理機上交替執(zhí)行。結構性。系統(tǒng)為每個進程建立一個進程控制塊。內(nèi)存進程與程序的區(qū)別和聯(lián)系（1）程序是靜態(tài)的，進程是動態(tài)的。程序是有序代碼的集合；進程是程序的一次執(zhí)行。（2）進程是暫時的，程序的永久的。進程是一個變化的過程，有生命周期，暫時存在，程序沒有生命周期，可長久保存。（3）進程是操作系統(tǒng)資源分配和保護的基本單位，程序沒有此功能。（4）進程與程序的對應關系。通過多次執(zhí)行，一個程序可對應多個進程；通過調(diào)用關系，一個進程可包括多個程序。進程可創(chuàng)建其他進程，而程序并不能形成新的程序

7、。（5）進程與程序的結構不同，進程包括程序、數(shù)據(jù)、進程控制塊。磁盤2.進程的描述進程的組成：PCB Process Control Block 靈魂，進程存在的唯一標志。數(shù)據(jù)程序 程序：描述了進程要完成的功能，是 進程執(zhí)行時不可修改的部分。 數(shù)據(jù)：進程執(zhí)行時用到的數(shù)據(jù)（用 戶輸入的數(shù)據(jù)、常量、靜態(tài)變量）。 工作區(qū) 工作區(qū)：參數(shù)傳遞、系統(tǒng)調(diào)用時使 用的動態(tài)區(qū)域（堆棧區(qū)）。實體進程映像：進程執(zhí)行程序,數(shù)據(jù),棧。進程映像如何存放在內(nèi)存取決于存儲管理機制。進程控制塊PCB：系統(tǒng)管理控制進程運行用的信息集合（含核心棧）。用戶空間系統(tǒng)空間進程組成結構進程控制塊（PCB）定義：是操作系統(tǒng)用來記錄進程詳細狀態(tài)

8、和相關信息的基本數(shù)據(jù)結構，它和進程是一一對應的，是進程存在的唯一標識。作用：提供進程的各種信息，以便操作系統(tǒng)控制和管理。類型內(nèi)容作用標識信息1）進程標識2）用戶標識3）父進程標識標識一個進程現(xiàn)場信息1）CPU通用寄存器內(nèi)容2）CPU控制和狀態(tài)寄存器內(nèi)容3）堆棧指針等記錄處理機現(xiàn)場信息，以備恢復之用控制信息1）進程狀態(tài)2）調(diào)度信息3）隊列指針4）位置信息5）資源占用信息用于進程的調(diào)度管理PCB結構PCB含有三大類信息描述：進程標識信息。如本進程的標識；本進程的產(chǎn)生者標識(父進程標識)；進程所屬用戶標識。處理機狀態(tài)信息保存區(qū)(棧式結構)。實質(zhì)就是核心棧。保存進程的運行現(xiàn)場信息： 通用寄存器。這是指

9、任何程序都可以使用的數(shù)據(jù)、地址寄存器。控制和狀態(tài)寄存器。如程序計數(shù)器(PC)；處理機狀態(tài)字(PS) 進程控制信息調(diào)度和狀態(tài)信息，用于操作系統(tǒng)調(diào)度進程占用處理機。 進程間通訊信息，為支持進程間的通訊相關的各種標識，信號，信件等，這些信息存在接收方的進程控制塊中。存儲管理信息。包含有指向本進程映像存儲空間的數(shù)據(jù)結構。進程所用資源。說明由進程打開，使用的系統(tǒng)資源，如打開的文件等。有關數(shù)據(jù)結構鏈接信息，進程可以鏈接到一個進程隊列中，或鏈接到相關的其它進程PCB。Unix：struct proc; Linux： struct task_struct;Windows NT/2000/XP執(zhí)行體進程塊（EP

10、ROCESS）包含了管理地址空間的域、跟蹤分配給進程資源的域等，基本信息同Linux進程描述符。EPROCESSKPROCESSETHREADKTHREAD內(nèi)核實現(xiàn)線程調(diào)度，調(diào)度信息在KTHREAD結構中實例操作系統(tǒng)對PCB的管理：集中統(tǒng)一管理內(nèi)存PCB表PCBPCBPCBPCB輔存非常駐信息非常駐信息非常駐信息非常駐信息3.進程的狀態(tài)進程的創(chuàng)建操作系統(tǒng)為進程創(chuàng)建進程控制塊和分配地址空間的過程就是進程創(chuàng)建的過程。 創(chuàng)建進程標識 分配內(nèi)存和其它資源初始化進程控制塊將創(chuàng)建的進程置于就緒隊列 PCBPCBPCBPCB就緒隊列進程創(chuàng)建處理過程大致為：接收進程運行所需參數(shù)：如初始優(yōu)先級，執(zhí)行程序描述及輸

11、入?yún)?shù)，其它資源等參數(shù)。請求分配進程描述塊PCB空間，得到一個內(nèi)部數(shù)字進程標識。用傳來的參數(shù)初始化PCB表。產(chǎn)生用于描述進程空間的數(shù)據(jù)結構，用初始執(zhí)行文件初始化進程空間，建立程序段，數(shù)據(jù)段、用戶棧段等。進程的創(chuàng)建與結束等系統(tǒng)調(diào)用用進程運行輸入?yún)?shù)等設置處理機現(xiàn)場保護區(qū)，造一個進程運行棧幀。置好父進程等關系域。 將進程置成就緒狀態(tài)。將PCB表掛入就緒隊列，等待時機被調(diào)度運行。進程結束大致處理過程如下：將進程狀態(tài)改到結束狀態(tài)；關閉所有打開文件、設備；釋放進程程序文件和其他資源；進行相關信息統(tǒng)計；清理其相關進程的鏈接關系，如在Linux中，將該結束進程的所有子進程鏈到1號進程，作為1號進程的子進程，

12、并通知父進程自己已結束；釋放進程映像空間；釋放進程控制塊(PCB)；調(diào)進程調(diào)度與切換程序。進程等待系統(tǒng)調(diào)用如waitpid(pid,&statloc,opts)系統(tǒng)調(diào)用。 進程發(fā)出此系統(tǒng)調(diào)用阻塞于內(nèi)核等待pid所指進程運行結束。進程的狀態(tài)進程在其生命期內(nèi)一直處在一個狀態(tài)不斷變化的過程中。為了刻畫這種變化過程，操作系統(tǒng)把進程分成若干種狀態(tài)，并約定各種狀態(tài)之間的轉換條件。狀態(tài)信息記錄在進程的PCB結構中。進程的執(zhí)行運行Running被調(diào)度時間片用完，中斷資源釋放或事件完成阻塞Blocked等待資源和事件進程占有處理機，處理機正在執(zhí)行該進程的程序。進程已獲得除處理機外的所需資源，等待分配處理機執(zhí)行。

13、也叫等待、掛起、睡眠態(tài)，此時進程因等待某種條件（如I/O操作或進程同步）無法運行。引起進程阻塞的原因很多，系統(tǒng)將根據(jù)不同的阻塞原因將進程插入某個相應的阻塞隊列中。就緒Ready進程狀態(tài)轉換及原因狀態(tài)轉換原因就緒運行進程被調(diào)度程序選中占用CPU。運行阻塞進程出讓CPU，等待系統(tǒng)分配資源或某些事件的發(fā)生，如：暫時不能訪問某一資源，操作系統(tǒng)尚未完成服務，系統(tǒng)正在初始化I/O設備，等待用戶的輸入信息等。阻塞就緒處于等待隊列中的進程，當其等待的事件已經(jīng)發(fā)生，或等待的資源可用時，此進程將進入就緒隊列競爭CPU。運行就緒進程分配的時間片已用完，或者在中斷機制下，有更高優(yōu)先級的進程進入系統(tǒng)，這時進程進入就緒隊

14、列等待下一次被選中而占用CPU。運行狀態(tài)(Running)：當一個進程正在處理機上運行時。就緒狀態(tài)(Ready)：一個進程獲得了除處理機之外的一切所需資源，一旦得到處理機即可運行.阻塞狀態(tài)又稱等待狀態(tài)(Blocked)：一個進程正在等待某一事件而暫停運行時，如等待某資源成為可用，等待輸入/輸出完成。創(chuàng)建狀態(tài)(New)：一個進程正在被創(chuàng)建，還沒到轉到就緒狀態(tài)之前的狀態(tài)。結束狀態(tài)(Exit)：一個進程正在從系統(tǒng)中消失時的狀態(tài)，這是因為進程結束或其它原因終止所導致。運行就緒阻塞被調(diào)度時間片用完，中斷資源釋放或事件完成等待資源和事件新建創(chuàng)建完畢結束結束執(zhí)行五種進程狀態(tài)轉換可能的狀態(tài)變化如下：空創(chuàng)建：一

15、個新進程被產(chǎn)生來執(zhí)行一個程序。創(chuàng)建就緒：當進程被創(chuàng)建完成，初始化后，一切就緒準備運行時變到就緒態(tài)。就緒運行：處于就緒狀態(tài)的進程被進程調(diào)度程序選中后，在處理機上運行。運行結束：當進程指示它已經(jīng)完成或者因錯終止，當前運行進程會由操作系統(tǒng)作結束處理。運行就緒：進程在其運行過程中，分給它的處理機時間片用完而讓出處理機;在可剝奪的操作系統(tǒng)中，當有更高優(yōu)先級的進程就緒，在準備從內(nèi)核返回用戶態(tài)運行時運行調(diào)度程序可以將正運行進程從運行狀態(tài)改變?yōu)榫途w狀態(tài)，讓更高優(yōu)先級進程運行。運行阻塞：當進程請求某樣東西且必須等待時，如，當進程請求操作系統(tǒng)服務，而操作系統(tǒng)得不到所需的資源，或進程請求一個輸入/輸出操作，操作系統(tǒng)

16、已啟動外設，但輸入/輸出尚未完成，或進程要與其它進程通訊，要接收對方還未發(fā)出的信件時進程都會被阻塞。阻塞就緒：當進程要等待事件到來時，它從阻塞變到就緒。進程的組織（1）線性表組織方式：把所有進程的PCB存放在一個數(shù)組中，系統(tǒng)通過數(shù)組下標訪問每個PCB。 PCB(0) PCB(1) PCB(2). PCB(n-1) PCB(n)進程控制塊采用線性表管理（2）鏈表組織方式：把具有相同狀態(tài)的PCB組成一個隊列。 處于就緒態(tài)的進程可按照某種策略排成多個就緒隊列。 處于阻塞態(tài)的進程又可以根據(jù)阻塞的原因不同組織成多個阻塞隊列。如，等待磁盤I/O隊列，等待磁帶I/O隊列等。接收進程就緒隊列1就緒隊列2.就緒隊列n超時