進程及其實現(xiàn)

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： n進程的定義和屬性進程的定義和屬性 n進程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換進程的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換 n進程的描述和組成進程的描述和組成 n進程切換與模式切換進程切換與模式切換 n進程的控制和管理進程的控制和管理 進程是操作系統(tǒng)中最基本、重要的概念進程是操作系統(tǒng)中最基本、重要的概念 是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)是多道程序系統(tǒng)出現(xiàn)后，為了刻畫系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn) 的動態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動規(guī)律的動態(tài)情況，描述系統(tǒng)內(nèi)部各道程序的活動規(guī)律 引進的一個概念引進的一個概念,所有多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)都建所有多道程序設(shè)計操作系統(tǒng)都建 立在進程的基礎(chǔ)上。立在進程的基礎(chǔ)上。 從理論角度看，進程是對正在

2、運行的程序過程的抽 象； 從實現(xiàn)角度看，進程是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目的在于清 晰地刻劃動態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律，有效管理和調(diào)度進 入計算機系統(tǒng)主存儲器運行的程序。 *對于單任務(wù)的操作系統(tǒng)而言，由于任何時候內(nèi)存中 只有一道程序（計算活動） ，而不是兩道或兩道以上 的程序（計算活動）在運行，程序（計算）運行的藍 本（程序）只有一個，程序與計算之間具有一對一的 關(guān)系，將依照藍本（程序）進行的計算活動稱為程序 （與藍本叫法相同）并無明顯不妥之處。 *但是在多任務(wù)的操作系統(tǒng)環(huán)境下，內(nèi)存中可以同時但是在多任務(wù)的操作系統(tǒng)環(huán)境下，內(nèi)存中可以同時 存在兩道或兩道以上的程序（計算活動）在運行，如存在兩道或兩道以上的程序（計算

3、活動）在運行，如 果每道程序（計算）運行的藍本（程序）互不相同，果每道程序（計算）運行的藍本（程序）互不相同， 則仍以程序（藍本）的名字呼喚每個計算并無明顯不則仍以程序（藍本）的名字呼喚每個計算并無明顯不 妥。但是，如果有某兩道程序（計算）運行的藍本（妥。但是，如果有某兩道程序（計算）運行的藍本（ 程序、步驟）相同，只是加工處理的數(shù)據(jù)（原料）不程序、步驟）相同，只是加工處理的數(shù)據(jù)（原料）不 同，則稱這兩個計算是一個程序或兩個程序均自相矛同，則稱這兩個計算是一個程序或兩個程序均自相矛 盾。因為問題的實質(zhì)是一個程序（藍本）對應(yīng)了兩個盾。因為問題的實質(zhì)是一個程序（藍本）對應(yīng)了兩個 或多個計算，程序與

4、計算之間出現(xiàn)了一對多的關(guān)系。或多個計算，程序與計算之間出現(xiàn)了一對多的關(guān)系。 以以“程序程序”稱呼稱呼“計算計算”產(chǎn)生了混淆，由此提出了產(chǎn)生了混淆，由此提出了“ 進程進程”這個名詞來稱呼這個名詞來稱呼“計算計算”。 1.1.操作系統(tǒng)為什么要引入進程概念操作系統(tǒng)為什么要引入進程概念? ? 一是刻畫系統(tǒng)的動態(tài)性，發(fā)揮系統(tǒng)的并發(fā)性，提高資源利用 率。在多道程序設(shè)計環(huán)境下，程序可以并發(fā)執(zhí)行，一個程序 的任意兩條指令之間都可能發(fā)生隨機事件而引發(fā)程序切換。 因而，每個程序的執(zhí)行都可能不是連續(xù)的而是走走停停。 二是它能解決系統(tǒng)的“共享性”，正確描述程序的執(zhí)行狀態(tài)。 幾個概念： （1）“可再入可再入”程序程序-

5、是指能被多個程序同時調(diào)用的程序。是指能被多個程序同時調(diào)用的程序。 （2）“可再用可再用”程序程序-被調(diào)用過程中自身會被修改，在調(diào)被調(diào)用過程中自身會被修改，在調(diào) 用它的程序退出之前不允許其他程序來調(diào)用它。用它的程序退出之前不允許其他程序來調(diào)用它。 （3）“可再入可再入”程序具有的性質(zhì)程序具有的性質(zhì)：它是純代碼，即它在執(zhí)行 中自身不被改變；調(diào)用它的各程序應(yīng)提供工作區(qū)，因此， “可再入”程序可被多個程序同時調(diào)用。 “可再入” 程序舉例 編譯程序P編譯源程序甲，從A點開始工作，執(zhí)行到B點時需 將信息記到磁盤上，且程序P在B點等待磁盤傳輸。 為提高系統(tǒng)效率，利用編譯程序的“可再入”性，讓編譯程 序P再為

6、源程序乙進行編譯，仍從A點開始工作。 現(xiàn)在怎樣來描述編譯程序P的狀態(tài)呢? 稱它為在B點等待磁盤傳輸狀態(tài)，還是稱它為正在從A點開 始執(zhí)行的狀態(tài)? 把編譯程序P，與服務(wù)對象聯(lián)系起來，P為甲服務(wù)就說構(gòu)成進 程P甲，P為乙服務(wù)則構(gòu)成進程P乙。 兩個進程雖共享程序P，但它們可同時執(zhí)行且彼此按各自的 速度獨立執(zhí)行?？梢姵绦蚺c計算(程序的執(zhí)行)不再一一對應(yīng)， 進程是一個既能用來共享資源，又能描述程序并發(fā)執(zhí)行過程 的一個基本單位。 2.進程的概念進程的概念 進程進程(process)是一個可并發(fā)執(zhí)行的具有獨立功能的程序關(guān)于 某個數(shù)據(jù)集合的一次執(zhí)行過程，也是操作系統(tǒng)進行資源分配 和保護的基本單位。 有些系統(tǒng)稱進

7、程為“任務(wù)”(task)或“活動”(active)。 3.進程的屬性進程的屬性 (進程與程序比較進程與程序比較) (1)結(jié)構(gòu)性：結(jié)構(gòu)性：進程包含了數(shù)據(jù)集合和運行于其上的程序。每個 進程至少包含三個組成要素：程序塊、數(shù)據(jù)塊和進程控制塊。 (2)共享性共享性：同一程序運行于不同數(shù)據(jù)集合上時，構(gòu)成不同的 進程。多個不同的進程可以共享相同的程序，所以進程和程 序不是一一對應(yīng)的。 (函數(shù)的遞歸調(diào)用也是不同數(shù)據(jù)共享相同 函數(shù),在這一點上類似于進程,但不相同,因為函數(shù)不是進程) (3)動態(tài)性：動態(tài)性：進程由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，由撤銷而消 亡。程序是一組有序指令序列，作為一種系統(tǒng)資源是永久存 在的。 (

8、4)獨立性：獨立性：進程是系統(tǒng)中資源分配和保護的基本單位，也是 系統(tǒng)調(diào)度的獨立單位（單線程進程）。 (5)制約性制約性：并發(fā)進程之間存在著制約關(guān)系，進程在進行的關(guān) 鍵點上需要相互等待或互通消息，以保證程序執(zhí)行的可再現(xiàn) 性和計算結(jié)果的唯一性。 (6)并發(fā)性：并發(fā)性：在一個單處理器系統(tǒng)環(huán)境下，各個進程輪流占用 處理器 。 1.1.三態(tài)模型三態(tài)模型 (1)(1)進程的三種基本狀態(tài)進程的三種基本狀態(tài) 一個進程從創(chuàng)建而產(chǎn)生至撤銷而消亡的整個生命周期，可用一 組狀態(tài)加以刻劃，按進程在執(zhí)行過程中的狀況至少定義三種不 同的進程狀態(tài)： 運行態(tài)（運行態(tài)（runningrunning）：進程占有處理器正在運行。 就

9、緒態(tài)（就緒態(tài)（readyready）：進程具備運行條件，等待系統(tǒng)分配處理器 以便運行。 等待態(tài)（等待態(tài)（waitwait）：又稱為阻塞（blocked）態(tài)或睡眠（sleep） 態(tài)，進程不具備運行條件，正在等待某個事件的完成。 通常，當(dāng)一個進程創(chuàng)建后，就處于就緒狀態(tài)。每個進程在執(zhí)行 過程中，任一時刻當(dāng)且僅當(dāng)處于上述三種狀態(tài)之一。在一個進 程執(zhí)行過程中，它的狀態(tài)將會發(fā)生變化。 (2)引起進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因引起進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因 運行態(tài)運行態(tài)等待態(tài)：等待態(tài)：等待使用資源或某事件發(fā)生 ； 等待態(tài)等待態(tài)就緒態(tài)：就緒態(tài)：資源得到滿足或事件發(fā)生 ； 運行態(tài)運行態(tài)就緒態(tài)就緒態(tài)：運行時間片到；出現(xiàn)有更高

10、優(yōu)先權(quán)進程。 就緒態(tài)就緒態(tài)運行態(tài)運行態(tài)：CPU空閑時選擇一個就緒進程。 運行態(tài)運行態(tài) 就緒態(tài)就緒態(tài)等待態(tài)等待態(tài) 選中 落選 出現(xiàn)等待事件 等待事件結(jié)束 進程三態(tài)模型及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換 2.2.五態(tài)模型五態(tài)模型 五態(tài)模型在三態(tài)模型的基礎(chǔ)上，引進了新建態(tài)和終止 態(tài)。 新建態(tài)新建態(tài)-對應(yīng)進程剛被創(chuàng)建的狀態(tài)。對應(yīng)進程剛被創(chuàng)建的狀態(tài)。為一個新進 程創(chuàng)建必要的管理信息，它并沒有被提交執(zhí)行，而是 在等待操作系統(tǒng)完成創(chuàng)建進程的必要操作。 終止態(tài)終止態(tài)-進程的終止。進程的終止。首先，等待操作系統(tǒng)進 行善后，然后，退出主存。進入終止態(tài)的進程不再執(zhí) 行，但依然臨時保留在系統(tǒng)中等待善后。一旦其他進 程完成了對終止態(tài)進程的信

11、息抽取之后，系統(tǒng)將刪除 該進程。 運行態(tài) 就緒態(tài)等待態(tài) 選 中落 選 出現(xiàn)等待事件 等待事件結(jié)束 新建態(tài)終止態(tài) 進程五態(tài)模型及其轉(zhuǎn)換進程五態(tài)模型及其轉(zhuǎn)換 進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因 NULLNULL新建態(tài)：新建態(tài)：創(chuàng)建一個子進程。創(chuàng)建一個子進程。 新建態(tài)新建態(tài)就緒態(tài)就緒態(tài)：系統(tǒng)完成了進程創(chuàng)建操作，且當(dāng)前系統(tǒng)的系統(tǒng)完成了進程創(chuàng)建操作，且當(dāng)前系統(tǒng)的 性能和內(nèi)存的容量均允許。性能和內(nèi)存的容量均允許。 運行態(tài)運行態(tài)終止態(tài)終止態(tài)：一個進程到達自然結(jié)束點，或出現(xiàn)了無法一個進程到達自然結(jié)束點，或出現(xiàn)了無法 克服的錯誤，或被操作系統(tǒng)所終結(jié)，或被其他有終止權(quán)的進程克服的錯誤，或被操作系統(tǒng)所終結(jié)

12、，或被其他有終止權(quán)的進程 所終結(jié)。所終結(jié)。 終止態(tài)終止態(tài)NULLNULL：完成善后操作。完成善后操作。 就緒態(tài)就緒態(tài)終止態(tài)：終止態(tài)：某些操作系統(tǒng)允許父進程終結(jié)子進程。某些操作系統(tǒng)允許父進程終結(jié)子進程。 等待態(tài)等待態(tài)終止態(tài)：終止態(tài)：某些操作系統(tǒng)允許父進程終結(jié)子進程。某些操作系統(tǒng)允許父進程終結(jié)子進程。 3.3.具有掛起功能系統(tǒng)的進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換具有掛起功能系統(tǒng)的進程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 (1)為什么要有“掛起”狀態(tài)? 由于進程的不斷創(chuàng)建，系統(tǒng)資源已不能滿足進程運行的要求，由于進程的不斷創(chuàng)建，系統(tǒng)資源已不能滿足進程運行的要求， 就必須把某些進程掛起（就必須把某些進程掛起（suspendsuspend），對換

13、到磁盤鏡像區(qū)中，），對換到磁盤鏡像區(qū)中， 暫時不參與進程調(diào)度，起到平滑系統(tǒng)操作負荷的目的。暫時不參與進程調(diào)度，起到平滑系統(tǒng)操作負荷的目的。 (2)引起進程掛起的主要原因 系統(tǒng)中的進程均處于等待狀態(tài)，需要把一些阻塞進程對換出系統(tǒng)中的進程均處于等待狀態(tài)，需要把一些阻塞進程對換出 去，騰出足夠內(nèi)存裝入就緒進程運行。去，騰出足夠內(nèi)存裝入就緒進程運行。 進程競爭資源，導(dǎo)致系統(tǒng)資源不足，負荷過重，需要掛起部進程競爭資源，導(dǎo)致系統(tǒng)資源不足，負荷過重，需要掛起部 分進程以調(diào)整系統(tǒng)負荷分進程以調(diào)整系統(tǒng)負荷, ,保證系統(tǒng)的實時性或讓系統(tǒng)正常運行。保證系統(tǒng)的實時性或讓系統(tǒng)正常運行。 定期執(zhí)行的進程（如審計、監(jiān)控、記

14、賬程序）對換出去，以定期執(zhí)行的進程（如審計、監(jiān)控、記賬程序）對換出去，以 減輕系統(tǒng)負荷。減輕系統(tǒng)負荷。 用戶要求掛起自己的進程，以便進行某些調(diào)試、檢查和改正。用戶要求掛起自己的進程，以便進行某些調(diào)試、檢查和改正。 父進程要求掛起后代進程，以進行某些檢查和改正。父進程要求掛起后代進程，以進行某些檢查和改正。 操作系統(tǒng)需要掛起某些進程，檢查運行中資源使用情況，以操作系統(tǒng)需要掛起某些進程，檢查運行中資源使用情況，以 改善系統(tǒng)性能改善系統(tǒng)性能; ;或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或某些功能受到破壞時，需或當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或某些功能受到破壞時，需 要掛起某些進程以排除故障。要掛起某些進程以排除故障。 (3)(3)進程增加

15、的兩個新狀態(tài)進程增加的兩個新狀態(tài) 掛起就緒態(tài)（掛起就緒態(tài)（ready suspendready suspend）：表明進程具備運行條件但目）：表明進程具備運行條件但目 前在輔助存儲器中，當(dāng)它被對換到主存才能被調(diào)度執(zhí)行。前在輔助存儲器中，當(dāng)它被對換到主存才能被調(diào)度執(zhí)行。 掛起等待態(tài)（掛起等待態(tài)（blocked suspendblocked suspend）：表明進程正在等待某一個）：表明進程正在等待某一個 事件且在輔助存儲器中。事件且在輔助存儲器中。 掛起 等待事件結(jié)束 出現(xiàn)等 待事件 解除 掛起 掛起 落選 選中 運行態(tài) 就緒態(tài) 等待事件結(jié)束 終止態(tài) 新建態(tài) 掛起就緒 態(tài) 解除 掛起 掛起 掛

16、起等待 態(tài) 等待態(tài) 提交 提交 具有掛起功能的進程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換 (4)(4)引起進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因引起進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的具體原因 等待態(tài)等待態(tài)掛起等待態(tài)：掛起等待態(tài)：當(dāng)前不存在就緒進程，至少一個等待 態(tài)進程將被對換出去成為掛起等待態(tài)； 掛起等待態(tài)掛起等待態(tài)掛起就緒態(tài)：掛起就緒態(tài)：引起進程等待的事件發(fā)生之后， 相應(yīng)的掛起等待態(tài)進程將轉(zhuǎn)換為掛起就緒態(tài)。 掛起就緒態(tài)掛起就緒態(tài)就緒態(tài)：就緒態(tài)：內(nèi)存中沒有就緒態(tài)進程，或掛起就緒 態(tài)進程具有比就緒態(tài)進程更高的優(yōu)先級，將把掛起就緒態(tài)進 程轉(zhuǎn)換成就緒態(tài)。 就緒態(tài)就緒態(tài)掛起就緒態(tài)：掛起就緒態(tài)：系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前資源狀況和性能要求， 決定把就緒態(tài)進程對換出去成為掛起就緒態(tài)

17、。 掛起等待態(tài)掛起等待態(tài)等待態(tài)：等待態(tài)：當(dāng)一個進程等待一個事件時，原則上 不需要把它調(diào)入內(nèi)存。但是，當(dāng)一個進程退出后，主存已經(jīng) 有了足夠的自由空間，而某個掛起等待態(tài)進程具有較高的優(yōu) 先級并且操作系統(tǒng)已經(jīng)得知導(dǎo)致它阻塞的事件即將結(jié)束，便 可能發(fā)生這一狀態(tài)變化。 運行態(tài)運行態(tài)掛起就緒態(tài)：掛起就緒態(tài)：當(dāng)一個高優(yōu)先級掛起等待進程的等待 事件結(jié)束后，它將搶占CPU，而此時主存不夠，從而可能導(dǎo)致 正在運行的進程轉(zhuǎn)化為掛起就緒態(tài)。運行態(tài)的進程也可以自 己掛起自己。 新建態(tài)新建態(tài)掛起就緒態(tài)：掛起就緒態(tài)：根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前資源狀況和性能要求， 可以將新建進程對換出去成為掛起就緒態(tài)。 注意：掛起的進程將不參與低級調(diào)度直

18、到它們被對注意：掛起的進程將不參與低級調(diào)度直到它們被對 換進主存。換進主存。 (5)掛起進程具有如下特征掛起進程具有如下特征 該進程不能立即被執(zhí)行。 掛起進程可能會等待事件，但所等待事件是獨立于掛起條件的， 事件結(jié)束并不能導(dǎo)致進程具備執(zhí)行條件。 進程進入掛起狀態(tài)是由于操作系統(tǒng)、父進程或進程本身阻止它 的運行。 結(jié)束進程掛起狀態(tài)的命令只能通過操作系統(tǒng)或父進程發(fā)出。 進程映像的組成進程映像的組成 進程映像即進程實體，主要包括： 進程程序塊：即被執(zhí)行的程序，規(guī)定了進程一次運行應(yīng)完成的 功能。通常它是純代碼，可被多個進程共享。 進程數(shù)據(jù)塊：是進程的私有地址空間，存放各種私有數(shù)據(jù)，用 戶棧也要在數(shù)據(jù)塊中

19、開辟，用以函數(shù)調(diào)用時存放棧幀、局部變 量等參數(shù)。 系統(tǒng)核心棧：每一個進程都將捆綁一個核心堆棧，進程在核心 態(tài)工作時使用，用來保存中斷/異?，F(xiàn)場，保護函數(shù)調(diào)用返回的 參數(shù)和返回地址。 進程控制塊：每一個進程都將捆綁一個進程控制塊，用來存儲 進程的標(biāo)志信息、現(xiàn)場信息和控制信息。進程創(chuàng)建時建立進程 控制塊，進程撤銷時回收進程控制塊，進程控制塊與進程一一 對應(yīng)。 總結(jié)： 進程有四個要素組成：進程控制塊、程序塊、數(shù)據(jù)塊、核心棧。 如果只具有前三個要素，而共享內(nèi)存空間，則稱為“用戶線 程”； 如果完全沒有用戶空間，則稱為“內(nèi)核線程”。 進程上下文（進程上下文（contextcontext）-操作系統(tǒng)中把進

20、程物理實體和支持 進程運行的環(huán)境合稱為進程上下文（進程上下文（contextcontext）。 當(dāng)系統(tǒng)調(diào)度新進程占有處理器時，新老進程隨之發(fā)生上下文 切換。 進程的運行被認(rèn)為是在上下文中執(zhí)行。 (2)(2)進程上下文的三個組成部分進程上下文的三個組成部分 用戶級上下文用戶級上下文(user-level-context)(user-level-context)：由用戶進程的正文（程 序塊）、數(shù)據(jù)塊（含共享數(shù)據(jù)塊）和用戶堆棧組成。它們占用進 程的虛擬地址空間。 寄存器上下文寄存器上下文(register-level-context)：由程序狀態(tài)字（PSW） 指令計數(shù)器、控制寄存器、通用寄存器、棧指

21、針等組成。 系統(tǒng)級上下文系統(tǒng)級上下文(system-level-context)(system-level-context)：包括進程控制塊、內(nèi) 存管理信息、核心棧等組成。 2.2.進程控制塊進程控制塊 每個進程都有一個也只有一個進程控制塊PCB（Process Control Block） 進程控制塊PCB是操作系統(tǒng)用于記錄和刻劃進程狀態(tài)及有關(guān)信 息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也是操作系統(tǒng)掌握進程的唯一資料結(jié)構(gòu)，是操 作系統(tǒng)控制和管理進程的主要依據(jù)。它包括了進程執(zhí)行時的情 況，以及進程讓出處理器后所處的狀態(tài)、斷點等信息。 進程控制塊包含三類信息：標(biāo)識信息、現(xiàn)場信息、控制信息 標(biāo)識信息：用于唯一地標(biāo)識一個進程

22、，常常分為由用戶使用 的外部標(biāo)識符和被系統(tǒng)使用的內(nèi)部標(biāo)識號。幾乎所有操作系統(tǒng) 中進程都被賦予一個唯一的、內(nèi)部使用的數(shù)值型的進程號，操 作系統(tǒng)的其他控制表可以通過進程號來交叉引用進程控制表。 常用的標(biāo)識信息有進程標(biāo)識符、父進程的標(biāo)識符、用戶進程名、 用戶組名等。 現(xiàn)場信息：用于保留進程運行時存放在處理器現(xiàn)場中的各種信 息，進程讓出處理器時必須把處理器現(xiàn)場信息保存到PCB中， 當(dāng)該進程重新恢復(fù)運行時也應(yīng)恢復(fù)處理器現(xiàn)場?，F(xiàn)場信息包括： 通用寄存器內(nèi)容、控制寄存器（如PSW寄存器的）內(nèi)容、用戶 堆棧指針、系統(tǒng)堆棧指針等。 控制信息：常用的控制信息包括： 1）進程調(diào)度相關(guān)信息，如進程狀態(tài)、等待事件和等待

23、原因、 進程優(yōu)先級、隊列指引元等； 2）進程組成信息，如正文段指針、數(shù)據(jù)段指針； 3）進程間通信相關(guān)信息，如消息隊列指針、信號量等互斥和 同步機制； 4）進程在二級（輔助）存儲器內(nèi)的地址信息； 5）CPU資源的占用和使用信息，如時間片余量、進程己占用 CPU的時間、進程己執(zhí)行時間總和，記帳信息； 6）進程特權(quán)信息，如在內(nèi)存訪問權(quán)限和處理器狀態(tài)方面的特 權(quán)； 7）資源清單，包括進程所需全部資源、已經(jīng)分得的資源，如 主存資源、I/O設(shè)備、打開文件表等。 進程控制塊的集合事實上定義了一個操作系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。進程控制塊的集合事實上定義了一個操作系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。 進程控制塊的使用權(quán)或修改權(quán)均屬于操作系統(tǒng)

24、程序，包括調(diào)度進程控制塊的使用權(quán)或修改權(quán)均屬于操作系統(tǒng)程序，包括調(diào)度 程序、資源分配程序、中斷處理程序、性能監(jiān)視和分析程序等。程序、資源分配程序、中斷處理程序、性能監(jiān)視和分析程序等。 操作系統(tǒng)是根據(jù)操作系統(tǒng)是根據(jù)PCBPCB來對并發(fā)執(zhí)行的進程進行控制和管理的。來對并發(fā)執(zhí)行的進程進行控制和管理的。 3.進程隊列及其管理 處于同一狀態(tài)的所有PCB鏈接在一起的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為進程隊列 (Process Queues)。 進程隊列有三種組織方式：線性方式、鏈接方式、索引方式 （1）線性方式：操作系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)進程的最大數(shù)目，靜態(tài) 地分配主存中地某塊空間，所有進程的PCB都組織在一個線性 表里。 （2）鏈接

25、方式：通過PCB中的鏈接指針將其鏈接成隊列。 單向鏈接：在每一個PCB中設(shè)置一個鏈接指針，指出本隊 列中緊隨其后的下一個PCB在PCB表中的編號或者地址。 雙向鏈接時：在每一個PCB中設(shè)置兩個鏈接指針，前向鏈 接指針指出本隊列中上一個PCB在PCB表中的編號或者地 址；后向鏈接指針指出本隊列中緊隨其后的下一個PCB在 PCB表中的編號或者地址。 為了標(biāo)志和識別隊列，每一個隊列均設(shè)置隊列標(biāo)志，存放于內(nèi)核空 間里。 單向鏈接的隊列標(biāo)志指針指向隊列中第一個PCB在PCB表中的編 號或者地址； 雙向鏈接的前向隊列標(biāo)志指針指向隊列中第一個PCB在PCB表中 的編號或者地址；后向隊列標(biāo)志指針隊列中最后一個

26、PCB在PCB表 中的編號或者地址； P99，圖2.14 不同狀態(tài)的進程可以排成不同的隊列，如運行隊列、就緒隊列、等 待隊列： 運行隊列只有一個進程； 就緒隊列可以按照優(yōu)先級或者先進先出的原則排隊，也可以按 照進程優(yōu)先級的高低分成多個就緒隊列； 等待隊列通常有多個，對應(yīng)不同的等待狀態(tài)； 還可以將空閑PCB鏈接成自由隊列以便使用。 一個進程從所在隊列退出的事件叫做出隊；一個進程排入指定隊列 的事件叫做入隊。 處理器調(diào)度中管理進程出隊入隊的模塊叫做隊列管理模塊。 （3）索引方式：是線性方式的一種改進。 利用索引表記錄不同狀態(tài)的PCB地址，系統(tǒng)建立若干索引表； 狀態(tài)相同的PCB組織在同一張索引表中，

27、每個索引表的表目 中存放PCB在PCB表中的編號或者地址； 各索引表在主存中的起始地址放在內(nèi)核的專用指針單元里。 P99，圖2.15 Linux進程鏈表（略）。 進程上下文切換 中斷（異常）是激活操作系統(tǒng)的唯一方法，它暫時中止當(dāng)前運 行進程的執(zhí)行，把處理器切換到操作系統(tǒng)的控制之下。當(dāng)操作 系統(tǒng)獲得了處理器的控制權(quán)之后，它就可以實現(xiàn)進程切換，所 以，進程切換必定在核心態(tài)而不是用戶態(tài)下發(fā)生。 進程切換是讓處于運行態(tài)的進程中斷運行，讓出處理器，這時 要做一次進程上下文切換、即保存老進程狀態(tài)而裝入被保護了 的新進程的狀態(tài)，以便新進程運行。 進程切換時，一個進程讓出處理器，其寄存器上下文將被保 存到系統(tǒng)

28、級上下文的相應(yīng)的現(xiàn)場信息位置，這時內(nèi)核就把這些 信息壓入系統(tǒng)棧的一個上下文層。當(dāng)內(nèi)核處理中斷返回，或一 個進程完成其系統(tǒng)調(diào)用返回用戶態(tài)，或內(nèi)核進行上下文切換時， 內(nèi)核就從系統(tǒng)棧彈出一個上下文層。因此，上下文的切換總會 引起上下文的壓入和彈出堆棧。 允許發(fā)生進程上下文切換的四種情況允許發(fā)生進程上下文切換的四種情況 (1)當(dāng)進程進入等待態(tài)時； (2)當(dāng)進程完成其系統(tǒng)調(diào)用返回用戶態(tài)，但不是最有資格獲得 CPU時； (3)當(dāng)內(nèi)核完成中斷處理，進程返回用戶態(tài)但不是最有資格獲 得CPU時； (4)當(dāng)進程執(zhí)行結(jié)束時。 進程切換的步驟進程切換的步驟 保存被中斷進程的處理器現(xiàn)場信息。保存被中斷進程的處理器現(xiàn)場信

29、息。 修改被中斷進程的進程控制塊的有關(guān)信息，如進程狀態(tài)等。修改被中斷進程的進程控制塊的有關(guān)信息，如進程狀態(tài)等。 把被中斷進程的進程控制塊加入有關(guān)隊列。把被中斷進程的進程控制塊加入有關(guān)隊列。 選擇下一個占有處理器運行的進程。選擇下一個占有處理器運行的進程。 修改被選中進程的進程控制塊的有關(guān)信息。修改被選中進程的進程控制塊的有關(guān)信息。 根據(jù)被選中進程設(shè)置操作系統(tǒng)用到的地址轉(zhuǎn)換和存儲保護信根據(jù)被選中進程設(shè)置操作系統(tǒng)用到的地址轉(zhuǎn)換和存儲保護信 息。息。 根據(jù)被選中進程的上下文信息恢復(fù)處理器現(xiàn)場根據(jù)被選中進程的上下文信息恢復(fù)處理器現(xiàn)場。 注意，注意，一般情況下，一般情況下，用戶態(tài)到核心態(tài)或者核心態(tài)到用用

30、戶態(tài)到核心態(tài)或者核心態(tài)到用 戶態(tài)的轉(zhuǎn)變是戶態(tài)的轉(zhuǎn)變是CPUCPU模式的改變，而不是進程上下文切模式的改變，而不是進程上下文切 換。換。 2. 2. 進程上下文切換的時機進程上下文切換的時機 進程在運行過程中執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，產(chǎn)生中斷或者異常時，操 作系統(tǒng)從當(dāng)前進程手里獲得CPU控制權(quán)，此后進程切換可以在 任意時刻開始。 系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前進程的時間片耗盡，或者執(zhí)行一個阻塞式系統(tǒng) 調(diào)用，都會導(dǎo)致當(dāng)前進程讓出處理器，請求重新調(diào)度，內(nèi)核轉(zhuǎn) 向低級調(diào)度程序運行，當(dāng)?shù)图壵{(diào)度程序選中新的就緒進程之后， 就會執(zhí)行進程上下文切換。 注意：低級調(diào)度和進程切換并不一定總是連續(xù)發(fā)生！低級調(diào)度和進程切換并不一定總是連續(xù)發(fā)生！

31、在中斷處理程序工作期間，來了一個更高優(yōu)先級的中斷，在中斷處理程序工作期間，來了一個更高優(yōu)先級的中斷， 當(dāng)這個高優(yōu)先級中斷處理結(jié)束后，不會馬上進行進程切換；當(dāng)這個高優(yōu)先級中斷處理結(jié)束后，不會馬上進行進程切換； 在各種原語操作、現(xiàn)場保護和恢復(fù)過程中，即使發(fā)生請在各種原語操作、現(xiàn)場保護和恢復(fù)過程中，即使發(fā)生請 求低級調(diào)度的事件，也不能立刻執(zhí)行低級調(diào)度和進行進程求低級調(diào)度的事件，也不能立刻執(zhí)行低級調(diào)度和進行進程 切換。切換。 在不能夠立刻進行調(diào)度和切換的情況下，系統(tǒng)采用置請求調(diào)在不能夠立刻進行調(diào)度和切換的情況下，系統(tǒng)采用置請求調(diào) 度，延遲至敏感性操作完成之后才進行低級調(diào)度和進程切換。度，延遲至敏感性操

32、作完成之后才進行低級調(diào)度和進程切換。 3. 3. 處理器模式切換處理器模式切換 當(dāng)中斷發(fā)生的時候，暫時中斷正在執(zhí)行的用戶進程，把進程從 用戶狀態(tài)切換到內(nèi)核狀態(tài)，去執(zhí)行操作系統(tǒng)例行程序以獲得服 務(wù)，這就是一次模式切換。此時，該進程仍在自己的上下文中 執(zhí)行，僅僅模式變了。內(nèi)核在被中斷了的進程的上下文中對這 個中斷事件作處理，即使該中斷事件可能不是此進程引起的。 被中斷的進程可以是正在用戶態(tài)下執(zhí)行的，也可以是正在核心 態(tài)下執(zhí)行的，內(nèi)核都要保留足夠信息以便在后來能恢復(fù)被中斷 了的進程執(zhí)行。 模式切換的步驟模式切換的步驟 保存被中斷進程的處理器現(xiàn)場信息。 把用戶狀態(tài)切換到內(nèi)核狀態(tài)，以便執(zhí)行中斷處理程序。

33、 如果處理中斷，可以根據(jù)規(guī)定的中斷級別設(shè)置中斷屏蔽位。 根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號或者中斷號，從系統(tǒng)調(diào)用表或者中斷入口地 址表中找到系統(tǒng)服務(wù)程序或者中斷處理程序的地址。 模式切換和進程切換的聯(lián)系與區(qū)別模式切換和進程切換的聯(lián)系與區(qū)別 模式切換不一定會引起進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，也不一定 引起進程切換。 在完成系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)或者中斷處理之后，可通過模 式切換來恢復(fù)被中斷進程的運行。 CPU上所執(zhí)行的進程在任意時刻必須處在三個活動范 圍之內(nèi)： 用戶空間中，處于進程上下文，用戶進程在運行， 使用用戶棧； 內(nèi)核空間中，處于進程上下文，內(nèi)核代表某進程 在運行，使用核心棧 內(nèi)核空間中，處于中斷上下文，與進程無關(guān)，中 斷服務(wù)程序正

34、在處理特定的中斷。（Intel x86不 提供中斷專用棧，使用核心棧）。 P102 Unix/Linux的進程切換與模式切換 中斷是激活操作系統(tǒng)的唯一途徑. 在核心態(tài)下,處理機執(zhí)行用戶程序指令,在核心態(tài)下,處理機執(zhí) 行操作系統(tǒng)內(nèi)核代碼.在計算機中,有一些操作需要委托操作系 統(tǒng)代為執(zhí)行,一些操作用戶程序可以自行完成. 可以將操作系統(tǒng)比做國家行政機構(gòu)(如法庭等職能部門),用戶 程序比做百姓、公民,有一些事情百姓可自己做主辦理,如衣食 住行;另有一些事情必須通過國家行政機關(guān)辦理,如打官司、辦 理身份證等.事情在國家行政機關(guān)辦理的過程相當(dāng)于處于核心 態(tài),百姓自己辦理的部分相當(dāng)于處于用戶態(tài). 喚醒 核心

35、態(tài)運行 系統(tǒng)調(diào)用 或中斷(隱 含模式切 換) 模式切換 用戶態(tài)運行 等待狀態(tài)就緒狀態(tài) 發(fā)生事件調(diào)度進程 中斷、中斷 返回 允許的上下 文切換 進程上下文切換和模式切換 處理器管理的一個主要工作是對進程的控制，包括：處理器管理的一個主要工作是對進程的控制，包括：創(chuàng)建進程、創(chuàng)建進程、 阻塞進程、喚醒進程、掛起進程、激活進程、終止進程和撤銷阻塞進程、喚醒進程、掛起進程、激活進程、終止進程和撤銷 進程進程等。等。 這些控制和管理功能是由這些控制和管理功能是由操作系統(tǒng)中的原語來實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)中的原語來實現(xiàn)的。 原語原語(Primitive)(Primitive)是在核心態(tài)下運行、完成系統(tǒng)特定功能的不

36、可分割過程。 原語和機器指令類似，其特點是執(zhí)行過程中不允許被中斷， 是一個不可分割的基本單位，原語的執(zhí)行是順序的而不可能是 并發(fā)的。 一種原語的實現(xiàn)方法是以系統(tǒng)調(diào)用方式提供原語接口，且采 用屏蔽中斷的方式來實現(xiàn)原語功能，以保證原語操作不被打斷 的特性。 原語和系統(tǒng)調(diào)用都使用訪管指令實現(xiàn)，具有相同的調(diào) 用形式，但 原語由內(nèi)核實現(xiàn)，系統(tǒng)調(diào)用由系統(tǒng)進程或系統(tǒng)服務(wù)器 實現(xiàn)； 原語不可中斷，系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時允許被中斷，甚至有 些操作系統(tǒng)中系統(tǒng)進程或系統(tǒng)服務(wù)器在用戶態(tài)運行。 通常情況下，原語提供給系統(tǒng)進程或系統(tǒng)服務(wù)器使用 （反之決不會形成調(diào)用關(guān)系），系統(tǒng)進程或系統(tǒng)服務(wù) 器提供系統(tǒng)調(diào)用給系統(tǒng)程序（和用戶）使用

37、，系統(tǒng)程 序提供高層功能給用戶使用。 部分進程控制原語：部分進程控制原語： 1.1.進程創(chuàng)建進程創(chuàng)建 (1)(1)進程創(chuàng)建的事件來源進程創(chuàng)建的事件來源 提交一個批處理作業(yè)。 在終端上一個交互式作業(yè)登錄。 操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個服務(wù)進程。 存在的進程創(chuàng)建（孵化（spawn）新的進程。 生成其它進程的進程稱父進程(Parent Process)， 被生成進程稱子進程(Child Process)、即一個父進 程可以創(chuàng)建子進程，從而形成樹形結(jié)構(gòu)。 (2)進程的創(chuàng)建過程 在主進程表中增加一項，并從PCB池中取一個空白PCB。 為新進程的進程映像分配地址空間。傳遞環(huán)境變量，構(gòu)造共 享地址空間。 為新進程分配資源，除內(nèi)存空間外，還有其他各種資源。 查找輔存，找到進程正文段并裝入到進程地址空間的正文區(qū)。 初始化進程控制塊（如狀態(tài)、PSW、棧等），為新進程分配 進程標(biāo)識符。 把進程加入就緒進程隊列,或直接將進程投入運行。 通知操作系統(tǒng)的某些模塊，如記賬程序、性能監(jiān)控程序。 實例實例 P104，Unix/Linux進程創(chuàng)建進程創(chuàng)建 Linux fork( ) 創(chuàng)建子進程但父子進程不共享內(nèi)容 Linux clone( ) 允許定義父子進程共享的內(nèi)容 Li