第7章 程序及進(jìn)程

1、操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System第3章 進(jìn)程Chapter 3 Processes 3-2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating SystemAgendav3.1 并發(fā)進(jìn)程3.1.1 程序的順序執(zhí)行3.1.2 程序的并發(fā)執(zhí)行及其特點(diǎn)v3.2 進(jìn)程的描述3.2.1 進(jìn)程的引入3.2.2 進(jìn)程控制塊PCB3.2.3 Linux的進(jìn)程控制塊3-3操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating SystemAgendav3.3 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3.3.1 進(jìn)程的不同狀態(tài)3.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型3.3.3 Linux的進(jìn)程狀態(tài)v3.4 進(jìn)程的控制 3.4.1 原語操作 3.4.2 Linux中的

2、進(jìn)程控制3-4操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating SystemAgendav3.5 線程3.5.1 線程的引入3.5.2 線程的概念3.5.3 引入線程的優(yōu)點(diǎn)3.5.4 線程和進(jìn)程的關(guān)系3.5.5 線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3.5.6 用戶級線程和內(nèi)核級線程v3.6 專業(yè)術(shù)語v3.7 習(xí)題3-5操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念v程序在計算機(jī)中的運(yùn)行情況：v1、程序的順序運(yùn)行 這是最自然、也是最初的設(shè)計?；咎卣魇琼樞蛱幚恚撼绦虻牟僮靼茨撤N順序依次執(zhí)行，只有當(dāng)前一個操作完成后，才能執(zhí)行下一個操作。 基本概念3-6操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：

3、程序順序執(zhí)行程序順序執(zhí)行的特點(diǎn)：（1）順序性。處理機(jī)的操作嚴(yán)格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行，只有當(dāng)上一個操作完成后，下一個操作才能執(zhí)行。除非有人為的干預(yù)造成機(jī)器暫時停頓外，前一個動作的結(jié)束就意味著下一個操作的開始。因此，程序和處理機(jī)執(zhí)行程序的活動一一對應(yīng)。（2）封閉性。程序運(yùn)行在一個封閉的環(huán)境中，即程序運(yùn)行時獨(dú)占系統(tǒng)的全部資源，這些資源的狀態(tài)只能因程序的執(zhí)行而改變，不受任何外界因素的影響。基本概念3-7操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序順序執(zhí)行（3）可再現(xiàn)性。由于程序順序執(zhí)行的封閉性，只要程序順序執(zhí)行的初始條件相同，則不論何時執(zhí)行，也不論程序執(zhí)行期間是否存在停頓，程

4、序所得的結(jié)果也相同。正由于程序順序執(zhí)行的特點(diǎn)，程序員可以檢測和重現(xiàn)程序的錯誤，可以調(diào)試和校正程序?；靖拍?-8操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行v2、程序的并發(fā)執(zhí)行v當(dāng)多道程序在計算機(jī)里同時運(yùn)行時情況就發(fā)生了很大變化。v在內(nèi)存中同時存放多個作業(yè)，使多個程序之間可以同時或相互穿插地執(zhí)行，即多個程序段之間可以并發(fā)地執(zhí)行。v所謂并發(fā)執(zhí)行，是指多個程序段之間在執(zhí)行時間是重疊的，即使這些重疊是很小的一部分，而不是指這些程序段在某一時刻同時在處理機(jī)上運(yùn)行。 基本概念3-9操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行基本概念3-10操作

5、系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行v程序并發(fā)執(zhí)行的特點(diǎn)：v（1）失去了程序的封閉性程序并發(fā)執(zhí)行時，系統(tǒng)中多道程序共享資源，資源的狀態(tài)不是唯一地取決于某一個程序，因此，必然失去了程序的封閉性，而程序的執(zhí)行結(jié)果因依賴于外部環(huán)境也失去了可再現(xiàn)性。 基本概念3-11操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行procedure push(x); begin top := top + 1； stop = x； end;procedure pop( ); r：integer； begin r=stop; top := top - 1; re

6、turn(r); end;基本概念3-12操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行各個并發(fā)程序段的語句可能交織穿插地執(zhí)行，很可能產(chǎn)生異?；蚴?。 push(6)的top=top+1語句 push(6)的Stop=x語句pop()的r=Stop語句pop()的top=top-1語句 pop()的return(r)語句，則此時存數(shù)與取數(shù)均成功。 push(6)的top=top+1語句pop()的r=Stop語句，此時取數(shù)失敗。上述情形說明，程序并發(fā)執(zhí)行時，由于失去了封閉性，計算結(jié)果與并發(fā)程序執(zhí)行的速度相關(guān)，從而使程序失去了可再現(xiàn)性。即使初始條件相同，程序多次執(zhí)行的

7、結(jié)果卻不盡相同?；靖拍?-13操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行v（2）程序和機(jī)器執(zhí)行程序的活動不再一一對應(yīng) 程序程序是指令的有序集合，是靜態(tài)概念。而機(jī)器執(zhí)行程序的活動是指程序的指令序列在處理機(jī)上的執(zhí)行過程，稱為“計算計算”，是一個動態(tài)的概念。在程序順序執(zhí)行時，程序和“計算”是一一對應(yīng)的；在程序并發(fā)執(zhí)行時，系統(tǒng)中的多個硬件設(shè)備在并行工作著，而系統(tǒng)中多個程序并發(fā)運(yùn)行著，這多個“計算”相互穿插，一個程序尚未執(zhí)行完畢另一個程序又開始運(yùn)行，而且一個程序可以為多個作業(yè)調(diào)用，這個程序就形成了多個“計算”，系統(tǒng)的“計算”和“計算”之間的關(guān)系變得非常復(fù)雜，程序和“計算

8、”已經(jīng)不再一一對應(yīng)。 基本概念3-14操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行v（3）并發(fā)程序之間相互制約由于系統(tǒng)中多個程序并發(fā)執(zhí)行著，它們共享系統(tǒng)中的硬件資源和軟件資源，有時相互競爭地使用系統(tǒng)資源，有時又要相互合作共同完成一項任務(wù)，因此，并發(fā)程序之間存在著相互制約的關(guān)系?；靖拍?-15操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行這些制約關(guān)系可分為兩類：直接制約和間接制約。直接制約直接制約發(fā)生在具有合作關(guān)系的并發(fā)進(jìn)程之間。例如，一個程序段C執(zhí)行時產(chǎn)生計算結(jié)果，并送到指定的存儲區(qū)M中，而另一個程序段P執(zhí)行時從上述的緩存儲區(qū)M中取出

9、計算結(jié)果，然后打印。很顯然，程序段C和程序段P之間就存在直接制約關(guān)系：如果程序段C沒有產(chǎn)生計算結(jié)果，并送到存儲區(qū)M中，那么程序段P就將一直等待下去。程序段C對程序段P就產(chǎn)生了直接制約。 基本概念3-16操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的概念：程序并發(fā)執(zhí)行間接制約間接制約發(fā)生在彼此間相互獨(dú)立的并發(fā)程序之間，是由于它們競爭使用系統(tǒng)中的資源引起的。例如，兩個并發(fā)程序競爭地使用打印機(jī)，得到打印機(jī)的并發(fā)程序就可以繼續(xù)執(zhí)行下去，而未得到打印機(jī)并發(fā)程序只好暫停等待。這兩個并發(fā)程序之間就存在著間接制約?；靖拍?-17操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 1.進(jìn)

10、程的引入v由于在多道系統(tǒng)環(huán)境中，多個程序并發(fā)地執(zhí)行，產(chǎn)生了一些新的特點(diǎn)。它破壞了程序的封閉性和可再現(xiàn)性，程序和計算不再一一對應(yīng)，多個并發(fā)程序共享系統(tǒng)資源，彼此之間存在著制約關(guān)系，這些新的特征用程序這個靜態(tài)概念已經(jīng)無法描述。v用什么樣的概念才能給予準(zhǔn)確的描述呢？系統(tǒng)中的資源分配和程序的執(zhí)行又該以何為單位進(jìn)行描述、控制和管理呢？v為此，操作系統(tǒng)需要引入“進(jìn)程”這個概念。進(jìn)程的描述3-18操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 2.進(jìn)程的定義v至今尚無令人滿意的統(tǒng)一定義。現(xiàn)列舉一些權(quán)威人士從不同角度對“進(jìn)程”所作的定義：（1）進(jìn)程是程序在處理機(jī)上執(zhí)行時所發(fā)生的活動；（2）進(jìn)程

11、是可以和其它的計算并發(fā)執(zhí)行的計算；（3）進(jìn)程是一個獨(dú)立的可調(diào)度的活動；（4）順序進(jìn)程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動；（5）進(jìn)程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位。進(jìn)程的描述3-19操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 2.進(jìn)程的定義v綜合各家意見，將“進(jìn)程”表示為：進(jìn)程是可以與其它程序并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨(dú)立單位。 進(jìn)程的描述3-20操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 3.進(jìn)程的特點(diǎn)v（1）動態(tài)性。進(jìn)程是一個動態(tài)的概念，實(shí)質(zhì)上是程序

12、的一次執(zhí)行過程。進(jìn)程具有生命期：它因“創(chuàng)建”而產(chǎn)生，因“調(diào)度”而執(zhí)行，執(zhí)行時還走走停停，因“撤消”而滅亡。v（2）并發(fā)性。在一個系統(tǒng)中，可以同時存在多個進(jìn)程，它們并發(fā)地執(zhí)行，共享系統(tǒng)資源。正由于多個進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，才使系統(tǒng)資源得到充分的利用，系統(tǒng)的處理能力大大增強(qiáng)。v（3）獨(dú)立性。進(jìn)程是一個能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，也是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。未建立進(jìn)程的程序不能作為一個獨(dú)立單位參與運(yùn)行，并發(fā)進(jìn)程獲得所需的資源才能向前推進(jìn)。進(jìn)程的描述3-21操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 3.進(jìn)程的特點(diǎn)v（4）異步性。每個進(jìn)程按各自獨(dú)立的不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)。正由于進(jìn)程

13、的異步性，并發(fā)進(jìn)程相互穿插地執(zhí)行，才失去了程序的可再現(xiàn)性。但由于進(jìn)程之間相互制約，進(jìn)程執(zhí)行時也常間斷，出現(xiàn)走走停停的現(xiàn)象。v（5）結(jié)構(gòu)特征。從結(jié)構(gòu)上看，一個進(jìn)程實(shí)體由三個部分組成，即程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊。進(jìn)程要完成一個任務(wù)，就必須執(zhí)行描述其任務(wù)的程序，并對要求加工的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為對進(jìn)程實(shí)施有效的管理，系統(tǒng)就必須為進(jìn)程設(shè)立一個專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)程控制塊。 進(jìn)程的描述3-22操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述： 4. 進(jìn)程與程序之間的關(guān)系v（1）進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程，是一個動態(tài)的概念，而程序是指令的有序集合，是一個靜態(tài)的概念。v（2）進(jìn)程具有生命期，從創(chuàng)建時存在，到

14、撤消時消失，其存在是暫時的，而程序是靜態(tài)的，其存在可以是永久的。v（3）進(jìn)程具有結(jié)構(gòu)特征，由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三者組成，而程序僅是指令的有序集合，是進(jìn)程的組成部分之一。v（4）進(jìn)程和程序之間不是一一對應(yīng)關(guān)系。一個程序可同時運(yùn)行于不同的數(shù)據(jù)集合上，映射成多個進(jìn)程。但內(nèi)存中一個編譯程序副本可同時編譯多個程序，產(chǎn)生多個編譯進(jìn)程；而一個進(jìn)程也可執(zhí)行多個程序，如幾個程序共同組成一個任務(wù)時，進(jìn)程的代碼是由多個程序組成的。程序的代碼是進(jìn)程的執(zhí)行依據(jù)，而進(jìn)程的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了程序所設(shè)計的功能。進(jìn)程的描述3-23操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：進(jìn)程控制塊PCB vPCB用于準(zhǔn)確地描述

15、每個進(jìn)程，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。v系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程控制塊中各項信息對進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度、控制和管理。 v進(jìn)程創(chuàng)建時，系統(tǒng)為它建立一個PCB；當(dāng)進(jìn)程在運(yùn)行中，狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)將其運(yùn)行信息記錄在PCB中；當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢時，系統(tǒng)回收其PCB。 進(jìn)程的描述3-24操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：進(jìn)程控制塊PCBvPCB通常包含了進(jìn)程描述信息、進(jìn)程控制信息和資源信息三部分。如：v（1）進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)識號。（2）用戶名或標(biāo)識號。v（3）程序和數(shù)據(jù)地址。（4）CPU現(xiàn)場保護(hù)區(qū)。v（5）進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)。（6）進(jìn)程優(yōu)先級。v（7）進(jìn)程隊列指針。（8）通信信息。v（9）家庭關(guān)系。（10）資源

16、清單。v（11）其它。進(jìn)程的描述3-25操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：進(jìn)程控制塊的組織v對于多個進(jìn)程有著多個PCBs，因此對它們的管理有如下一些方法：線性表方式。這種方式把所有不同狀態(tài)的進(jìn)程（甚至是全部進(jìn)程）的PCB組織在一個數(shù)組表格中，系統(tǒng)通過下標(biāo)訪問每一個PCB。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，節(jié)省空間。但為了找至某一狀態(tài)的進(jìn)程的PCB，需要查找整個PCB表。 分類鏈接表方式。這種方式把相同狀態(tài)進(jìn)程的PCB，連接成一個鏈表。 進(jìn)程的描述3-26操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：進(jìn)程控制塊的組織索引方式。這種方式根據(jù)所有進(jìn)程的狀態(tài)，為每一種狀態(tài)的

17、進(jìn)程建立一個索引表，并在索引表的表目中設(shè)置一個指針域，記錄相應(yīng)狀態(tài)的某個進(jìn)程在PCB表中的地址。 進(jìn)程的描述3-27操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：Linux進(jìn)程控制v1.Linux的進(jìn)程控制塊(Task_struct) （在include/linux/sched.h）v2. Linux系統(tǒng)中進(jìn)程的組織系統(tǒng)中進(jìn)程的組織Linux系統(tǒng)中可同時存在許多進(jìn)程，而且這些進(jìn)程所處的狀態(tài)也各不相同，為了對進(jìn)程實(shí)現(xiàn)高效的管理，Linux系統(tǒng)采用了如下幾種組織方式。1) 哈希表。 Linux系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的快速查找，專門設(shè)置了一個哈希表，表的每個元素都是指向一個進(jìn)程task_s

18、truct結(jié)構(gòu)的指針，同時，系統(tǒng)還設(shè)置了一個名為pid_hashfn的哈希函數(shù)，把進(jìn)程的標(biāo)識符PID映射為表的索引，均勻地把進(jìn)程分布到哈希表中。進(jìn)程的描述3-28操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：Linux進(jìn)程控制2) 雙向循環(huán)鏈表。 哈希表雖然能快速地查找到指定的進(jìn)程，但并不能反映進(jìn)程之間的關(guān)系，為此，系統(tǒng)還設(shè)置了一個雙向循環(huán)鏈表，將進(jìn)程組織在一起。該鏈表的頭為init_task，是所有進(jìn)程的祖先進(jìn)程；每個進(jìn)程通過其prev_task和next_task指針指向其前趨進(jìn)程和后繼進(jìn)程。3) 運(yùn)行隊列。 為實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的高效調(diào)度，Linux系統(tǒng)把所有可運(yùn)行的進(jìn)程組織成一個

19、雙向循環(huán)鏈表，稱為可運(yùn)行隊列（run_queue）。另外，系統(tǒng)還可利用進(jìn)程task_struct結(jié)構(gòu)的run_list指針，維持一個運(yùn)行隊列鏈表。進(jìn)程的描述3-29操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的描述：Linux進(jìn)程控制4) 等待隊列。 Linux系統(tǒng)為管理所有處于等待狀態(tài)（TASK_INTERRUPTIBLE或TASK_UNINTERRUPTIBLE）的進(jìn)程，根據(jù)進(jìn)程的狀態(tài)、進(jìn)程所等的對象，將進(jìn)程分成不同的類，組織成不同的等待隊列。進(jìn)程的描述3-30操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換：進(jìn)程的狀態(tài) v一般地講，進(jìn)程具有三種基本狀態(tài)：v1.

20、 運(yùn)行狀態(tài)（Running）。當(dāng)進(jìn)程獲得處理機(jī)并在處理機(jī)上運(yùn)行時，則稱進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，某一時刻只能有一個進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)；在多處理機(jī)系統(tǒng)中，可能有多個進(jìn)程同時處于運(yùn)行狀態(tài)。v2. 就緒狀態(tài)（Ready）。進(jìn)程獲得了除處理機(jī)之處的所有資源，一旦得到處理機(jī)便可立即運(yùn)行，則稱此進(jìn)程處于就緒狀態(tài)。處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程邏輯上講是可運(yùn)行的，只是處理機(jī)被其它進(jìn)程占用而暫時等待。在一個系統(tǒng)中，可以有多個進(jìn)程同時處于就緒狀態(tài)。這些處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程常組織成一個或多個就緒隊列。進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-31操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換：進(jìn)程的狀態(tài)v3. 阻塞狀態(tài)

21、（Blocked）。正在運(yùn)行的進(jìn)程，由于等待某種原因或發(fā)生某種事件，如請求I/O、等待可用的資源，或等待合作進(jìn)程的消息，暫時無法繼續(xù)運(yùn)行，便放棄處理機(jī)而等待，則稱進(jìn)程處于阻塞狀態(tài)。在一個系統(tǒng)中，可以有多個進(jìn)程處于等待狀態(tài)，這些處于等待狀態(tài)的進(jìn)程常組織成一個阻塞隊列。有時，根據(jù)進(jìn)程執(zhí)行受到阻塞原因，將處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程組織成多個阻塞隊列，如等待打印機(jī)的若干阻塞進(jìn)程組織成打印機(jī)等待隊列。進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-32操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換：進(jìn)程的狀態(tài)v另外，不少系統(tǒng)中還增加了新狀態(tài)（New）和結(jié)束狀態(tài)（Terminated）。v4. 新狀態(tài)（New）。當(dāng)進(jìn)程

22、剛被創(chuàng)建，但尚未進(jìn)入就緒隊列時，進(jìn)程處于新狀態(tài)。v5. 結(jié)束狀態(tài)（Terminated）。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行完畢（正常結(jié)束或異常結(jié)束），但其PCB尚未被系統(tǒng)回收時，進(jìn)程處于結(jié)束狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-33操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-34操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型v1. 新狀態(tài)就緒狀態(tài)、當(dāng)新創(chuàng)建的進(jìn)程被接納，系統(tǒng)將它移入就緒隊列時，進(jìn)程的狀態(tài)從新進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。v2. 就緒狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程被進(jìn)程調(diào)度程序選中，并分配處理機(jī)后，進(jìn)程便在處理機(jī)上運(yùn)行，進(jìn)程的

23、狀態(tài)從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)行狀態(tài)。v3. 運(yùn)行狀態(tài)就緒狀態(tài)。當(dāng)正在運(yùn)行的進(jìn)程所分得的處理機(jī)時間片用完，或更緊迫的進(jìn)程強(qiáng)行搶占處理機(jī)，這時進(jìn)程被迫暫停運(yùn)行，從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-35操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型v4. 運(yùn)行狀態(tài)阻塞狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行中的進(jìn)程因發(fā)生某事件，如提出I/O請求，等待可用資源，或等待合作進(jìn)程的消息，進(jìn)程暫時無法運(yùn)行而主動放棄處理機(jī)，從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。v5. 阻塞狀態(tài)就緒狀態(tài)。當(dāng)處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，在其等待的事件已經(jīng)發(fā)生，如I/O完成，獲得所需的資源等，進(jìn)程就從阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。v6. 運(yùn)行狀態(tài)結(jié)

24、束狀態(tài)。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程完成所規(guī)定的任務(wù)而正常結(jié)束，或執(zhí)行時遇到嚴(yán)重錯誤而異常結(jié)束時，進(jìn)程從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為結(jié)束狀態(tài)。 進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-36操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-37操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：Linux進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換3-38操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的控制v進(jìn)程控制的職責(zé)是對系統(tǒng)中的所有進(jìn)程進(jìn)行有效管理，為此，操作系統(tǒng)提供了若干基本操作，這些操作通常被稱為原語。v所謂原語，是操作系統(tǒng)內(nèi)核中由若干機(jī)器指令構(gòu)成的完成特定功能程序段，這些程序段

25、在執(zhí)行期間不可中斷，以保證其正確性。原語是機(jī)器指令的延伸，由于其在執(zhí)行期間不可分割，所以具有原子性。v所謂原子性，是指這些程序中的所有指令，要么全做，要么全不做，不能只做其中的一部分。 進(jìn)程的控制3-39操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System進(jìn)程的控制v用于進(jìn)程控制的原語有：創(chuàng)建進(jìn)程原語，撤消進(jìn)程原語，阻塞進(jìn)程原語，喚醒進(jìn)程原語，掛起進(jìn)程原語，解除掛起進(jìn)程原語，改變進(jìn)程優(yōu)先級原語，調(diào)度進(jìn)程原語等。 進(jìn)程的控制3-40操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的引入 v早期的操作系統(tǒng)中，引入進(jìn)程的目的是為了實(shí)現(xiàn)程序的并發(fā)執(zhí)行，改善系統(tǒng)資源的利用率，提高系統(tǒng)的處理能力

26、和吞吐量。從進(jìn)程的定義，我們可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)程在操作系統(tǒng)中擔(dān)任著兩個不同的角色：v1. 進(jìn)程是擁有自己資源的獨(dú)立單位，它不僅有著自己的虛擬地址空間，還控制著其運(yùn)行所需的其他資源，如I/O資源等。v2. 進(jìn)程是可獨(dú)立調(diào)度和分派在處理機(jī)上運(yùn)行的基本單位。 線程3-41操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的引入v進(jìn)程具有自己的生命期，它由創(chuàng)建而產(chǎn)生，并分配必要的資源；因撤消而滅亡，并釋放或回收其資源。在進(jìn)程的生命期中，進(jìn)程與其它進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時，隨著進(jìn)程自身的推進(jìn)，不斷地改變著外界環(huán)境，而且也隨著外界的變化自身的狀態(tài)也不斷變化，經(jīng)常走走停停。因此系統(tǒng)中經(jīng)常需要進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)行進(jìn)程切換，

27、系統(tǒng)為此付出較大的時間和空間開銷，系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)量越多，切換越頻繁，這種開銷就越大。線程3-42操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的引入v那么，如何才能保證、甚至提高程序并發(fā)執(zhí)行的程度，而又盡量減少系統(tǒng)開銷呢？v不少專家學(xué)者在研究進(jìn)程的特性之后，提出了新的方案，引入了線程的概念。將進(jìn)程原有的兩個角色分派給兩種不同實(shí)體來實(shí)現(xiàn)：第一個角色仍由進(jìn)程擔(dān)當(dāng)，即進(jìn)程仍作為資源分配的獨(dú)立單位，在運(yùn)行中不必頻繁切換；第二個角色由線程擔(dān)當(dāng)，即線程作為可獨(dú)立調(diào)度的一個執(zhí)行單位，它基本上不擁有或只擁有極少的資源。v同一個進(jìn)程可擁有多個線程，這些線程共享進(jìn)程的全部資源，并發(fā)地執(zhí)行。線程之間也存在

28、制約，其狀態(tài)也不斷變化，也需要調(diào)度和切換，但這種開銷很小。 線程3-43操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的定義v傳統(tǒng)意義上的進(jìn)程是一個單線程的進(jìn)程，而現(xiàn)代意義上的線程可以視為輕量化的進(jìn)程（lightweight process）。線程概念自從引入之后，已廣獲應(yīng)用，但至今也無統(tǒng)一定義，這里列出一些較權(quán)威的定義：（1）線程是進(jìn)程內(nèi)的一個執(zhí)行單元。（2）線程是一個可調(diào)度實(shí)體。（3）線程是進(jìn)程中相對獨(dú)立的一個控制流。（4）線程是同一個進(jìn)程中獨(dú)立的執(zhí)行上下文。v這些定義相互補(bǔ)充，我們可以綜合出：線程是進(jìn)程內(nèi)一個相對獨(dú)立的可調(diào)度的執(zhí)行單元或?qū)嶓w。 線程3-44操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)

29、Operating System線程：引入線程的優(yōu)點(diǎn)引入線程的優(yōu)點(diǎn)v1. 提高了程序并發(fā)執(zhí)行的程度，加快了系統(tǒng)的執(zhí)行速度v2. 大大降低了系統(tǒng)的開銷v3. 提高了資源的利用率v4. 更好地為用戶提供服務(wù)v5. 更利于發(fā)揮多處理機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)越性 線程3-45操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程和進(jìn)程的關(guān)系線程和進(jìn)程的關(guān)系v1. 線程是進(jìn)程的一個組成部分，進(jìn)程創(chuàng)建時一般只有一個線程，需要時可由這個線程創(chuàng)建其它線程。v2. 一個進(jìn)程可以有多個線程，這些共享進(jìn)程的資源，在進(jìn)程的空間中并發(fā)活動。v3. 進(jìn)程是資源分配的基本單位，資源并不分配給線程，線程基本上不擁有資源，只使用進(jìn)程的

30、資源。線程3-46操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程和進(jìn)程的關(guān)系線程和進(jìn)程的關(guān)系v4. 線程是處理機(jī)調(diào)度的執(zhí)行單位，即處理機(jī)是分給線程的，線程使用的資源是進(jìn)程所分到的資源。v5. 進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行，線程也可以并發(fā)執(zhí)行。v6. 進(jìn)程切換的開銷遠(yuǎn)大于線程切換的開銷。v7. 線程也有生命期，在行過程中也需要同步。 線程3-47操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 v線程作為調(diào)度和執(zhí)行的基本單位，在其生命期中狀態(tài)也不斷變化。實(shí)際上線程狀態(tài)的劃分與系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)與調(diào)度方法密切相關(guān)。v線程像進(jìn)程一樣，至少包含就緒、等待和運(yùn)行

31、三個基本狀態(tài), Windows NT操作系統(tǒng)中，將線程的狀態(tài)細(xì)化為6個狀態(tài) . v就緒狀態(tài)：該線程已具備執(zhí)行條件，以等待CPU的執(zhí)行，線程調(diào)度程序只從就緒線程池中選擇線程進(jìn)入備用狀態(tài)。v備用狀態(tài)：系統(tǒng)中每個處理機(jī)上可以有一個線程處于備用狀態(tài)，實(shí)際上該線程已經(jīng)被選定為該處理機(jī)上的一個執(zhí)行對象。條件合適時，調(diào)度程序就將該線程切換到處理機(jī)上運(yùn)行。線程3-48操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 v運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)線程被切換到處理機(jī)上運(yùn)行時，該線程就轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)。v等待狀態(tài)：當(dāng)運(yùn)行中的線程因等待某種事件時，便將自己阻塞而成為等待狀態(tài)。導(dǎo)致線程阻塞的

32、事件一般有：等待一個同步對象或事件，等待I/O，或環(huán)境子系統(tǒng)的影響等。v轉(zhuǎn)換狀態(tài)：當(dāng)線程已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行，但資源不可用，線程就變?yōu)檗D(zhuǎn)換狀態(tài)。當(dāng)資源變得可用時，線程變會從轉(zhuǎn)換狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。v終止?fàn)顟B(tài)：線程完成了所有任務(wù)，就變成了終止?fàn)顟B(tài)。線程3-49操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 vWindows NT中的線程調(diào)度程序采用了可搶占調(diào)度方式，即當(dāng)就緒隊列中某個就緒線程優(yōu)先級高于正在運(yùn)行的線程的優(yōu)先級時，它就強(qiáng)行占用處理機(jī)，使原運(yùn)行中的線程停止運(yùn)行，并將它移入就緒隊列。線程3-50操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：

33、線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 線程3-51操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 v在進(jìn)程中設(shè)有掛起操作，但在線程中一般不設(shè)置掛起操作，因?yàn)榫€程不是資源的擁有者，它只是進(jìn)程諸線程中的一個，沒有能力決定整個進(jìn)程的狀態(tài)，也不能因?yàn)闀和Ｒ粋€線程而停止整個進(jìn)程。 v在進(jìn)程的多個線程中，如果某個線程阻塞，并不能阻塞其它線程，更不能阻塞整個進(jìn)程，這樣才能保證并發(fā)執(zhí)行程度和系統(tǒng)靈活性，保持多線程的優(yōu)勢。線程3-52操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：Java語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 v在Java語言中，

34、一個進(jìn)程被創(chuàng)建后但尚未執(zhí)行start方法之前，處于已出生狀態(tài)（born）。當(dāng)新創(chuàng)建在執(zhí)行start方法后就變?yōu)榫途w狀態(tài)（ready）。在就緒狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)后把處理機(jī)分配給線程時，線程就變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)(running)。在運(yùn)行狀態(tài)下，如分配給線程的處理機(jī)時間片用完，線程又變?yōu)榫途w狀態(tài)；如線程提出I/O請求，則變?yōu)樽枞麪顟B(tài)（blocked）；如執(zhí)行wait方法，則變?yōu)榈却隣顟B(tài)（waiting）；線程3-53操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating Systemv如執(zhí)行sleep方法，則變?yōu)樗郀顟B(tài)（sleeping）；如執(zhí)行suspend方法，則變?yōu)楸粧炱馉顟B(tài)（suspended）；如執(zhí)行stop方法，

35、則變?yōu)樗劳鰻顟B(tài)（dead）。在阻塞狀態(tài)下，如線程所需的I/O已完成，則變?yōu)榫途w狀態(tài)。在被掛起狀態(tài)下，執(zhí)行resume方法后，則變?yōu)榫途w狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，如睡眠時間到，則變?yōu)榫途w狀態(tài)。在等待狀態(tài)下，如遇到notify方法，則變?yōu)榫途w狀態(tài)。線程：Java語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 線程3-54操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：Java語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換語言中線程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 線程3-55操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：用戶級線程和內(nèi)核級線程用戶級線程和內(nèi)核級線程v用戶級線程KLT 有的系統(tǒng)中，線程完全是由用戶的應(yīng)用程序負(fù)責(zé)創(chuàng)建、調(diào)度和管理的，并不需要操作系統(tǒng)內(nèi)核的支持，而且操作系統(tǒng)內(nèi)核對此也毫無知覺。這樣的線程稱為用戶級線程。線程3-56操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) Operating System線程：用戶級線程和內(nèi)核級線程用戶級線程和內(nèi)核級線程v用戶級線程自身的優(yōu)勢 對操作系統(tǒng)的要求較低，只要操作系統(tǒng)能