操作系統(tǒng)第二章進程的描述與控制2016-9

1、第二章 進程進程是操作系統(tǒng)最重要，是操作系統(tǒng)最重要，最基本的概念之一，這個概念最基本的概念之一，這個概念對操作系統(tǒng)的理解，描述和設(shè)對操作系統(tǒng)的理解，描述和設(shè)計都具有極其重要的意義。計都具有極其重要的意義。1.4 1.4 操作系統(tǒng)的特征（一）操作系統(tǒng)的特征（一） 為了實現(xiàn)以上功能，操作系統(tǒng)應(yīng)該具有以下基為了實現(xiàn)以上功能，操作系統(tǒng)應(yīng)該具有以下基本特征：本特征： 并發(fā)性（并發(fā)性（Concurrence）共享性（共享性（Sharing）虛擬性（虛擬性（Virtual）異步性（異步性（Asynchronism）問題問題某個瞬時，有多少道程序在某個瞬時，有多少道程序在CPU上運行。上運行。1.4 1.4

2、操作系統(tǒng)的特征（二）操作系統(tǒng)的特征（二）一、并發(fā)性（一、并發(fā)性（ConcurrenceConcurrence） 在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時間內(nèi)，宏觀上有多道內(nèi)，宏觀上有多道“程序程序”同時運行。同時運行。 顯然，在微觀上，多道程序只能交替執(zhí)行。顯然，在微觀上，多道程序只能交替執(zhí)行。 必須指出，多個程序是不能并發(fā)執(zhí)行的，只必須指出，多個程序是不能并發(fā)執(zhí)行的，只有建立有建立 進程。進程是操作系統(tǒng)中一個極其重要而進程。進程是操作系統(tǒng)中一個極其重要而抽象的概念。抽象的概念。 并發(fā)性有效地改善了系統(tǒng)資源的利用率，提高并發(fā)性有效地改善了系統(tǒng)資源的利用率，提高

3、系統(tǒng)的吞吐量。當(dāng)然，也使操作系統(tǒng)的實現(xiàn)變得系統(tǒng)的吞吐量。當(dāng)然，也使操作系統(tǒng)的實現(xiàn)變得復(fù)雜。復(fù)雜。進程進程1.4 1.4 操作系統(tǒng)的特征（三）操作系統(tǒng)的特征（三） 二、共享性（二、共享性（Sharing） 是指多個進程共同使用有限的資源。分為兩種方是指多個進程共同使用有限的資源。分為兩種方式：式：互斥訪問互斥訪問 一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問該資一段時間內(nèi)只允許一個進程訪問該資源。只有該進程釋放資源后，其他進程才能訪問。源。只有該進程釋放資源后，其他進程才能訪問。該資源稱為臨界資源。該資源稱為臨界資源。同時訪問同時訪問 在宏觀上，允許多個進程在宏觀上，允許多個進程“同時同時” 訪問某個資源訪問某

4、個資源。磁盤磁盤打印機打印機1.4 1.4 操作系統(tǒng)的特征（四）操作系統(tǒng)的特征（四）三、虛擬性（三、虛擬性（Virtual） 虛擬是操作系統(tǒng)的奇妙的功能，是指通過某虛擬是操作系統(tǒng)的奇妙的功能，是指通過某種技術(shù)把一個物理設(shè)備變成邏輯上的多個。種技術(shù)把一個物理設(shè)備變成邏輯上的多個。例如：例如：分時系統(tǒng)中，將一個物理分時系統(tǒng)中，將一個物理CPU虛擬為多個。虛擬為多個。虛擬存儲管理，將一個統(tǒng)一編址的物理存儲器虛擬存儲管理，將一個統(tǒng)一編址的物理存儲器變?yōu)槎鄠€邏輯上獨立編址的存儲器等。變?yōu)槎鄠€邏輯上獨立編址的存儲器等。1.4 1.4 操作系統(tǒng)的特征（五）操作系統(tǒng)的特征（五）四、異步性（四、異步性（Asyn

5、chronismAsynchronism） 也稱為不確定性（也稱為不確定性（NondeterministicNondeterministic），指），指在多道程序環(huán)境下，各進程交錯執(zhí)行，在多道程序環(huán)境下，各進程交錯執(zhí)行，“走走停走走停停停”，各進程的執(zhí)行時間和執(zhí)行順序是不確定的。，各進程的執(zhí)行時間和執(zhí)行順序是不確定的。 即進程是以異步方式執(zhí)行的。即進程是以異步方式執(zhí)行的。 并發(fā)、共享是操作系統(tǒng)最基本的特征，資源共并發(fā)、共享是操作系統(tǒng)最基本的特征，資源共享是進程并發(fā)執(zhí)行的必然結(jié)果，同時只有對資源實享是進程并發(fā)執(zhí)行的必然結(jié)果，同時只有對資源實施有效管理，才能實現(xiàn)和保證進程的并發(fā)執(zhí)行。施有效管理，才

6、能實現(xiàn)和保證進程的并發(fā)執(zhí)行。本章討論的主要問題本章討論的主要問題1 1、什么是進程？為什么要引入進程？、什么是進程？為什么要引入進程？2 2、如何描述進程？、如何描述進程？3 3、進程具哪些狀態(tài)？、進程具哪些狀態(tài)？ 這些狀態(tài)之間如何進行轉(zhuǎn)換？這些狀態(tài)之間如何進行轉(zhuǎn)換？4 4、如何控制進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換？、如何控制進程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換？2.1 2.1 程序的執(zhí)行與特征程序的執(zhí)行與特征 ( (一）一）一一 、程序的順序執(zhí)行及特征、程序的順序執(zhí)行及特征如：有三條語句：如：有三條語句： s1s1： a a：=x+y=x+y s2 s2： b b：=a-5=a-5 s3 s3： c c：=b+1 =b+1 程序順

7、序執(zhí)行的特征程序順序執(zhí)行的特征 ：執(zhí)行順序用有向圖表示執(zhí)行順序用有向圖表示:s1s2s31.1.順序性順序性: : 處理機操作嚴格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行。處理機操作嚴格按照程序所規(guī)定的順序執(zhí)行。2.2.封閉性：封閉性： 程序獨占資源，除初始狀態(tài)外，只有程序本程序獨占資源，除初始狀態(tài)外，只有程序本身規(guī)定的操作才能夠改變資源狀況，即程序在封閉環(huán)境下身規(guī)定的操作才能夠改變資源狀況，即程序在封閉環(huán)境下運行。運行。3.3.可再現(xiàn)性可再現(xiàn)性: : 程序的運行結(jié)果與它執(zhí)行的速度無關(guān)。程序的運行結(jié)果與它執(zhí)行的速度無關(guān)。 一個具有獨立功能的程序獨占一個具有獨立功能的程序獨占CPUCPU直到完成的過程稱直到完成

8、的過程稱為程序的順序執(zhí)行為程序的順序執(zhí)行。2.1 2.1 程序的執(zhí)行與特征程序的執(zhí)行與特征 （二二） 1. 前趨圖前趨圖 （Precedence Graph） 用前趨圖來描述并發(fā)執(zhí)行的程序的特征。用前趨圖來描述并發(fā)執(zhí)行的程序的特征。 前趨圖前趨圖 DAG（Directed Acyclic Graph） 結(jié)結(jié) 點點表示一條語句，一段程序或進程。表示一條語句，一段程序或進程。 有向邊有向邊表示兩結(jié)點間的偏序或前趨關(guān)系。表示兩結(jié)點間的偏序或前趨關(guān)系。 前趨定義：前趨定義： （Pi , Pj) 記為：記為： Pi Pj 二、二、 程序的并發(fā)執(zhí)行及特征程序的并發(fā)執(zhí)行及特征 其中：其中： P Pi 稱為稱

9、為Pj的直接前趨。的直接前趨。 2. 2. 程序的并發(fā)執(zhí)行程序的并發(fā)執(zhí)行 程序的并發(fā)執(zhí)行是指在邏輯上相互獨立的一組程程序的并發(fā)執(zhí)行是指在邏輯上相互獨立的一組程序在執(zhí)行時間上的相互重疊，即一個程序段的執(zhí)行尚未序在執(zhí)行時間上的相互重疊，即一個程序段的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始。結(jié)束，另一程序段的執(zhí)行已經(jīng)開始。 Pi Pj2 2、程序的并發(fā)執(zhí)行、程序的并發(fā)執(zhí)行例：有三類程序并發(fā)執(zhí)行：例：有三類程序并發(fā)執(zhí)行： I Ii i輸入程序輸入程序 C Ci i計算程序計算程序 P Pi i打印程序打印程序I1I2I3I4C1C2C3C4P1P2P3P4Ii Ci Pi Ii Ci Ci Pi前趨關(guān)

10、系：前趨關(guān)系：P i -1，Ci ，I i +1 可可并發(fā)執(zhí)行。并發(fā)執(zhí)行。2.1 2.1 程序的執(zhí)行與特征程序的執(zhí)行與特征 （三）（三）Ii I i+1Ci Ci+1Pi Pi+1 程序的順序執(zhí)行與程序的并發(fā)執(zhí)行有那程序的順序執(zhí)行與程序的并發(fā)執(zhí)行有那些不同的特征？些不同的特征？ 執(zhí)行過程中可能有多個程序同時申請同一資源，帶來了執(zhí)行過程中可能有多個程序同時申請同一資源，帶來了資源的動態(tài)分配。多道程序共享資源共同決定和影響資源的資源的動態(tài)分配。多道程序共享資源共同決定和影響資源的狀態(tài)。因此，并發(fā)程序的執(zhí)行結(jié)果與其執(zhí)行的相對速度有關(guān)。狀態(tài)。因此，并發(fā)程序的執(zhí)行結(jié)果與其執(zhí)行的相對速度有關(guān)。(1) (1

11、) 并發(fā)執(zhí)行的程序間相互約束，相互依賴并發(fā)執(zhí)行的程序間相互約束，相互依賴 顯然，程序的并發(fā)執(zhí)行與程序的順序執(zhí)行具有顯然，程序的并發(fā)執(zhí)行與程序的順序執(zhí)行具有完全不同完全不同的的特征，主要表現(xiàn)在：特征，主要表現(xiàn)在： 各并發(fā)執(zhí)行的程序各并發(fā)執(zhí)行的程序共享資源共享資源，使本來并無邏輯關(guān)系的程，使本來并無邏輯關(guān)系的程序之間產(chǎn)生了序之間產(chǎn)生了相互制約相互制約的關(guān)系。而需要相互通信共同協(xié)作完的關(guān)系。而需要相互通信共同協(xié)作完成同一任務(wù)的程序之間成同一任務(wù)的程序之間相互依賴相互依賴又相互制約。使各道程序走又相互制約。使各道程序走走停停，走停停，動態(tài)執(zhí)行動態(tài)執(zhí)行。(2) (2) 對系統(tǒng)資源爭奪與共享對系統(tǒng)資源爭奪

12、與共享3 3、程序并發(fā)執(zhí)行的特征、程序并發(fā)執(zhí)行的特征 2.1 2.1 程序的執(zhí)行與特征程序的執(zhí)行與特征 （五）（五） 不可再現(xiàn)性是程序不可再現(xiàn)性是程序并發(fā)并發(fā)執(zhí)行時的間斷性及失去封閉性執(zhí)行時的間斷性及失去封閉性的必然結(jié)果，即程序的執(zhí)行結(jié)果與其執(zhí)行速度有關(guān)。的必然結(jié)果，即程序的執(zhí)行結(jié)果與其執(zhí)行速度有關(guān)。 例：例： 程序程序A A 程序程序B B . . . . . . . . N :=N+1 PRINT(N) N :=N+1 PRINT(N) . N :=0 . N :=0 . . . . . . . .3 3、程序并發(fā)執(zhí)行的特征、程序并發(fā)執(zhí)行的特征（1 1）執(zhí)行順序：（）執(zhí)行順序：（a a），

13、（），（b b），（），（c c） N N值：值：n+1n+1，n+1n+1，0 0（2 2）執(zhí)行順序：（）執(zhí)行順序：（b b），（），（a a），（），（c c） N N值：值： n n，n+1n+1， 0 0（3 3）執(zhí)行順序：（）執(zhí)行順序：（b b），（），（c c），（），（a a） N N值：值： n n， 0 0， 1 1（a a）（b b）（c c） 本節(jié)討論關(guān)于進程的基本概念：本節(jié)討論關(guān)于進程的基本概念： 進程的定義 進程的特征 進程的狀態(tài) 進程控制塊 進程是可并發(fā)執(zhí)行的程序在給定數(shù)據(jù)集合進程是可并發(fā)執(zhí)行的程序在給定數(shù)據(jù)集合上的一次上的一次執(zhí)行過程執(zhí)行過程，是系統(tǒng)進行資源，是系

14、統(tǒng)進行資源分配和調(diào)分配和調(diào)度的度的一個獨立的一個獨立的基本單位基本單位和實體和實體，是執(zhí)行一個，是執(zhí)行一個映象程序的映象程序的總環(huán)境總環(huán)境，是一個，是一個動態(tài)的概念動態(tài)的概念。 一一. .進程的定義進程的定義 進程的引入是為了更好地描述程序并發(fā)執(zhí)行的進程的引入是為了更好地描述程序并發(fā)執(zhí)行的動態(tài)特征。動態(tài)特征。 1.1.定義定義進程進程是執(zhí)行程序的動態(tài)過程是執(zhí)行程序的動態(tài)過程動態(tài)概念動態(tài)概念。程序是進程運行的靜態(tài)文本程序是進程運行的靜態(tài)文本靜態(tài)概念。靜態(tài)概念。一個一個進程進程可以執(zhí)行一個或多個程序?？梢詧?zhí)行一個或多個程序。一個程序可以被多個一個程序可以被多個進程進程執(zhí)行。執(zhí)行。程序可以作為一種資

15、源以文件的形式長期保存。程序可以作為一種資源以文件的形式長期保存。進程進程只是一次執(zhí)行過程，具有只是一次執(zhí)行過程，具有生命期生命期。2. 2. 進程與程序的區(qū)別、聯(lián)系進程與程序的區(qū)別、聯(lián)系 進程是程序的一次執(zhí)進程是程序的一次執(zhí)行過程行過程, ,具有生命期；它具有生命期；它可以由系統(tǒng)創(chuàng)建并獨立地可以由系統(tǒng)創(chuàng)建并獨立地執(zhí)行，直至完成而被撤消。執(zhí)行，直至完成而被撤消。 進程是可以并發(fā)執(zhí)行進程是可以并發(fā)執(zhí)行的基本單位，從宏觀上看，的基本單位，從宏觀上看，它們可以它們可以“同時同時”執(zhí)行。執(zhí)行。由于共享資源，進程間相由于共享資源，進程間相互約束，相互依賴?；ゼs束，相互依賴。動態(tài)性并發(fā)性獨立性異步性 各個

16、進程之間相互獨各個進程之間相互獨立，是系統(tǒng)分配資源和能立，是系統(tǒng)分配資源和能夠被處理機調(diào)度的基本單夠被處理機調(diào)度的基本單位。位。 各個進程按照各自獨立各個進程按照各自獨立的、不可預(yù)知的速度異步的、不可預(yù)知的速度異步向前推進。即進程按異步向前推進。即進程按異步方式執(zhí)行。方式執(zhí)行。二二.、進程的特征、進程的特征1、 三種基本狀態(tài)：三種基本狀態(tài)： 執(zhí)行狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài) （Executing） 就緒狀態(tài)就緒狀態(tài) （Ready） 阻塞狀態(tài)阻塞狀態(tài) （Blocked）或等待（）或等待（Wait） 阻塞阻塞狀態(tài)狀態(tài)就緒就緒狀態(tài)狀態(tài)執(zhí)行執(zhí)行狀態(tài)狀態(tài)調(diào)度調(diào)度I/O請求請求進程進程釋放釋放時間時間片到片到新狀態(tài)新狀態(tài)

17、結(jié)束結(jié)束后備隊列后備隊列新狀態(tài)新狀態(tài)結(jié)束狀態(tài)結(jié)束狀態(tài)三、進程的基本狀態(tài)三、進程的基本狀態(tài)2 2、進程狀態(tài)的細化、進程狀態(tài)的細化 掛起狀態(tài)掛起狀態(tài)（SuspendSuspend）：）： 對正在執(zhí)行的進程，則停止執(zhí)行。對正在執(zhí)行的進程，則停止執(zhí)行。 對就緒狀態(tài)的進程，對就緒狀態(tài)的進程，則停止調(diào)度，并回收資源。則停止調(diào)度，并回收資源。 對阻塞狀態(tài)的進程，對阻塞狀態(tài)的進程，則停止條件的發(fā)生。則停止條件的發(fā)生。 稱被掛起的進程是稱被掛起的進程是靜止的靜止的 靜止就緒（靜止就緒（Readys）靜止靜止阻塞（阻塞（Blockeds）稱未被掛起的進程是稱未被掛起的進程是活動的活動的活動就緒（活動就緒（Read

18、ya）活動活動阻塞（阻塞（Blockeda） 將進程將進程掛起的原因掛起的原因： 1 1。系統(tǒng)工作負荷達到高峰，調(diào)整負荷，使系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)工作負荷達到高峰，調(diào)整負荷，使系統(tǒng)正常運行。 2 2。人為掛起，停止某進程執(zhí)行，以便研究分析。人為掛起，停止某進程執(zhí)行，以便研究分析。 3 3。系統(tǒng)需要，如系統(tǒng)故障，系統(tǒng)檢測需要。系統(tǒng)需要，如系統(tǒng)故障，系統(tǒng)檢測需要。3 3、細化的進程狀態(tài)圖細化的進程狀態(tài)圖活動活動阻塞阻塞執(zhí)行執(zhí)行狀態(tài)狀態(tài)活動活動就緒就緒靜止靜止就緒就緒靜止靜止阻塞阻塞調(diào)度調(diào)度釋放釋放I/O請求請求激活激活激活激活掛起掛起掛起掛起掛起掛起釋放釋放 1 1、進程的描述、進程的描述 對進程的描

19、述應(yīng)該反映進程的存在及其變化，反映進程的對進程的描述應(yīng)該反映進程的存在及其變化，反映進程的動態(tài)特性。動態(tài)特性。進程進程由由程序程序，相應(yīng)的，相應(yīng)的數(shù)據(jù)集合，進程控制塊數(shù)據(jù)集合，進程控制塊三部三部分組成。分組成。進程的程序進程的程序 靜態(tài)文本，描述進程所要完成的功能。靜態(tài)文本，描述進程所要完成的功能。數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 集集 合合 程序運行時所需的數(shù)據(jù)和工作區(qū)。程序運行時所需的數(shù)據(jù)和工作區(qū)。 動態(tài)描述動態(tài)描述 進程控制塊進程控制塊PCB（Process Control Block）記錄和描述記錄和描述進程的動態(tài)特性，描述進程的執(zhí)行情況和狀態(tài)變化。進程的動態(tài)特性，描述進程的執(zhí)行情況和狀態(tài)變化。四、進程控制

20、塊四、進程控制塊 外部標(biāo)識信息外部標(biāo)識信息 內(nèi)部標(biāo)識信息內(nèi)部標(biāo)識信息 進程家族標(biāo)識進程家族標(biāo)識通用寄存器通用寄存器 指令計數(shù)器指令計數(shù)器 程序狀態(tài)字（程序狀態(tài)字（PSWPSW）用戶棧指針）用戶棧指針進程調(diào)度信息進程調(diào)度信息 進程狀態(tài)進程狀態(tài) 進程優(yōu)先級進程優(yōu)先級 其他調(diào)度信息其他調(diào)度信息 等待事件等待事件進程控制信息進程控制信息 程序數(shù)據(jù)地址程序數(shù)據(jù)地址 進程同步及通信進程同步及通信 資源清單資源清單 鏈接指針鏈接指針2 2、PCB 塊包含的信息塊包含的信息程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器(1)(1) 程序狀態(tài)字PSW（Program Status Word） PSW用來控制指令執(zhí)行順序并保留

21、和指示與程序有關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)，主要作用是實現(xiàn)程序狀態(tài)的保護和恢復(fù) 每個程序都有一個與其執(zhí)行相關(guān)的PSW，每個處理器都設(shè)置一個PSW寄存器。 程序占有處理器執(zhí)行，它的PSW將占有PSW寄存器 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器(2)(2) PSW寄存器包括以下內(nèi)容： 程序基本狀態(tài)： (1) 程序計數(shù)器； (2) 條件碼； (3）處理器狀態(tài)位。 中斷碼。保存程序執(zhí)行時當(dāng)前發(fā)生的中斷事件。 中斷屏蔽位。指明程序執(zhí)行中發(fā)生中斷事件時，是否響應(yīng)出現(xiàn)的中斷事件。 IBM360/370系列計算機程序狀態(tài)字的基本格式 XX X X XXXX X X XXXXXX8位系統(tǒng)屏蔽4位CMWP字段4位程序屏蔽4位保護鍵1

22、6位中斷碼字段指令長和條件碼24位指令地址 不同操作系統(tǒng)，不同操作系統(tǒng)，PCBPCB所包含的信息類型及數(shù)量可能有所包含的信息類型及數(shù)量可能有所不同，但一般包括兩類信息。所不同，但一般包括兩類信息。1）調(diào)度信息調(diào)度信息 描述進程的當(dāng)前狀況，供進程調(diào)度使用。描述進程的當(dāng)前狀況，供進程調(diào)度使用。 2）現(xiàn)場信息現(xiàn)場信息 刻劃了進程運行的情況；記錄在進程運刻劃了進程運行的情況；記錄在進程運行過程中會改變的信息，以便進程中斷后，再次被調(diào)度行過程中會改變的信息，以便進程中斷后，再次被調(diào)度時能夠繼續(xù)運行。時能夠繼續(xù)運行。 PCB 塊塊是一個進程存在的唯一標(biāo)志是一個進程存在的唯一標(biāo)志 ，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一

23、個進程時，為該進程設(shè)置一個一個進程時，為該進程設(shè)置一個 PCBPCB，再利用，再利用PCBPCB對進程對進程進行控制和管理。當(dāng)進程撤消時，系統(tǒng)回收它的進行控制和管理。當(dāng)進程撤消時，系統(tǒng)回收它的PCB。3 3、 PCBPCB塊的組織方式塊的組織方式 鏈接方式鏈接方式 鏈接成各種就緒，阻塞及空白等各種隊列。鏈接成各種就緒，阻塞及空白等各種隊列。 索引方式索引方式 建立不同狀態(tài)的索引表。建立不同狀態(tài)的索引表。3. 進程控制塊的組織方式進程控制塊的組織方式 1) 鏈接方式 圖 2-7 PCB鏈接隊列示意圖 PCB14PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7PCB8PCB93087901執(zhí) 行

24、指 針就 緒 隊 列 指 針阻 塞 隊 列 指 針空 閑 隊 列 指 針2) 索引方式 圖 2-8 按索引方式組織PCB 執(zhí)行指針就緒索引表PCB1PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7阻塞索引表就緒表指針阻塞表指針 操作系統(tǒng)中，為了防止用戶進程對操作系統(tǒng)中，為了防止用戶進程對OSOS及及PCBPCB等關(guān)鍵信息等關(guān)鍵信息的破壞。的破壞。 一個進程在其生命期中有兩種機器運行狀態(tài)：一個進程在其生命期中有兩種機器運行狀態(tài)： 系統(tǒng)態(tài)系統(tǒng)態(tài) （核心態(tài)（核心態(tài), ,管態(tài)）管態(tài)） 具有較高的訪問權(quán)，可訪具有較高的訪問權(quán)，可訪 問核心模塊。問核心模塊。 用戶態(tài)用戶態(tài) （目態(tài)（目態(tài) ） 限制訪問權(quán)。限

25、制訪問權(quán)。 是機器指令的延伸，是非進程模塊是機器指令的延伸，是非進程模塊, ,不能并發(fā)執(zhí)行。不能并發(fā)執(zhí)行。 執(zhí)行過程不可中斷，用微代碼實現(xiàn)。執(zhí)行過程不可中斷，用微代碼實現(xiàn)。2、原、原 語（語（primitive）1 1、進程運行狀態(tài)、進程運行狀態(tài) 內(nèi)核是內(nèi)核是OSOS的控制和協(xié)調(diào)中心，由它組織，啟動的控制和協(xié)調(diào)中心，由它組織，啟動和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各種活動。通常由各種原語構(gòu)成。和協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各種活動。通常由各種原語構(gòu)成。 內(nèi)核是內(nèi)核是OSOS中最重要最核心的部分。中最重要最核心的部分。OSOS的內(nèi)核緊的內(nèi)核緊靠硬件，由那些使用頻率高，與硬件緊密相關(guān)的靠硬件，由那些使用頻率高，與硬件緊密相關(guān)的模塊構(gòu)成；

26、如中斷處理程序，設(shè)備驅(qū)動程序等。模塊構(gòu)成；如中斷處理程序，設(shè)備驅(qū)動程序等。 二二. .內(nèi)核的功能內(nèi)核的功能 1 1）中斷處理）中斷處理 中斷是中斷是OSOS內(nèi)核最重要的功能之一。系統(tǒng)中的所有中斷內(nèi)核最重要的功能之一。系統(tǒng)中的所有中斷 都由內(nèi)核響應(yīng)。中斷是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)，都由內(nèi)核響應(yīng)。中斷是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)， OSOS是由中斷是由中斷驅(qū)動的。驅(qū)動的。2 2）原語操作）原語操作 原語操作包括涉及原語操作包括涉及CPUCPU管理，管理，進程進程管理，管理，存儲存儲管理，管理，設(shè)備設(shè)備管理，管理，文件文件管理以及起支撐功能的系統(tǒng)管理以及起支撐功能的系統(tǒng)統(tǒng)計統(tǒng)計和和監(jiān)測監(jiān)測的的各種各種基本操作?；?/p>

27、本操作。3) 3) 時鐘管理時鐘管理 OSOS的許多重要操作，如：按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實時系統(tǒng)的許多重要操作，如：按時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，實時系統(tǒng)中的截止時間控制等，都依賴于時鐘管理。中的截止時間控制等，都依賴于時鐘管理。操作系統(tǒng)的內(nèi)核 Linux單內(nèi)核結(jié)構(gòu) 用 戶態(tài) 系統(tǒng)庫(函數(shù)庫)應(yīng)用程序 系統(tǒng)調(diào)用接口 模塊內(nèi)核(進程管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理) 設(shè)備 驅(qū)動 計算機硬件核 心態(tài)單 內(nèi)核操作系統(tǒng)提供的用戶接口 UNIX/Linux系統(tǒng)程序、庫函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用分層關(guān)系 用戶 操作系統(tǒng)(進程管理、存儲管理、文件管理、設(shè)備管理等) 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)(打開、關(guān)閉、讀、寫、創(chuàng)建、撤銷等) 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)程

28、序(實用程序)(匯編、編譯、編輯、Shell等)用戶接口庫函數(shù)接口系統(tǒng)調(diào)用接口 硬件 (處理器、存儲器、磁盤、打印機、終端等)用戶態(tài)核心態(tài)操作系統(tǒng)提供的程序接口應(yīng)用程序、庫函數(shù)、系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用關(guān)系鏈調(diào)用fprintf( )應(yīng)用程序C函數(shù)庫內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用處理程序C庫中的fprintf( )封裝程序C庫中的write( ) 封裝程序用戶態(tài)核心態(tài) sys_write( )內(nèi)核函數(shù)2.3 2.3 進程控制進程控制 （五）（五）創(chuàng)建原語創(chuàng)建原語 createcreate（）（） 撤消撤消原語原語 destroydestroy（）（） 阻塞原語阻塞原語 blockblock（）（）喚醒喚醒原語原語 wake

29、upwakeup（）（）掛起原語掛起原語 suspendsuspend（）（）激活原語激活原語 activeactive（）（）三三 . . 進程控制原語進程控制原語1. 引起創(chuàng)建進程的事件引起創(chuàng)建進程的事件 用戶登錄。 (2) 作業(yè)調(diào)度。 (3) 提供服務(wù)。 (4) 應(yīng)用請求。 2.2 進進 程程 控控 制制 創(chuàng)建進程有兩種方式：由系統(tǒng)程序模塊創(chuàng)建，創(chuàng)建進程有兩種方式：由系統(tǒng)程序模塊創(chuàng)建，或由父進程創(chuàng)建?；蛴筛高M程創(chuàng)建。 算法步驟：算法步驟： 1. 1. 向向PCBPCB集合申請一個空閑的集合申請一個空閑的PCBPCB，并獲取其，并獲取其內(nèi)部標(biāo)識；內(nèi)部標(biāo)識； 2. 2. 將有關(guān)信息填入將有關(guān)

30、信息填入PCBPCB； 3. 3. 將該進程置為就緒狀態(tài)，并插入就緒隊列。將該進程置為就緒狀態(tài)，并插入就緒隊列。創(chuàng)建原語創(chuàng)建原語 createcreate（）（） 對進程的控制一般通過原語操作實現(xiàn)對進程的控制一般通過原語操作實現(xiàn)。2.2 進進 程程 控控 制制 進程的創(chuàng)建進程的創(chuàng)建 進程圖(Process Graph) 圖 進程樹 DEFGHBCIJKLMA創(chuàng)建原語創(chuàng)建原語 (create)(create)查查PCB集集有空有空PCBN 創(chuàng)建失敗創(chuàng)建失敗Y取空表取空表PCB（i）將參數(shù)填入將參數(shù)填入PCB（i）將將PCB（i）插入就緒隊列）插入就緒隊列 引起進程終止的事件引起進程終止的事件 1

31、) 正常結(jié)束正常結(jié)束 2) 異常結(jié)束異常結(jié)束 越界錯誤 保護錯 非法指令 特權(quán)指令錯 運行超時 等待超時 算術(shù)運算錯 I/O故障 3) 外界干預(yù)外界干預(yù) 操作員或操作系統(tǒng)干預(yù)。 父進程請求 父進程終止 算法步驟：算法步驟： 1. 1. 根據(jù)外部標(biāo)識檢索根據(jù)外部標(biāo)識檢索PCBPCB集，找到要撤消的集，找到要撤消的PCBPCB； 2. 2. 從隊列中撤消該進程從隊列中撤消該進程 及其子孫進程，通常在及其子孫進程，通常在一個遞歸過程中實現(xiàn)；一個遞歸過程中實現(xiàn)； 3. 3. 釋放被撤消進程所占有的資源，撤消進程控制釋放被撤消進程所占有的資源，撤消進程控制塊。塊。撤消撤消原語原語 destroydest

32、roy（）（） 當(dāng)進程完成或產(chǎn)生異常中斷時，應(yīng)立即撤消，當(dāng)進程完成或產(chǎn)生異常中斷時，應(yīng)立即撤消，并釋放其所有資源并釋放其所有資源。撤消原語撤消原語 ( (destroydestroy）查查PCB集和進程家族集和進程家族有此有此PCB？N 出錯處理出錯處理Y釋放進程所占資源釋放進程所占資源釋放釋放PCB（i）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)該該PCB有子進程？有子進程？YN進程的阻塞與喚醒進程的阻塞與喚醒引起進程阻塞和喚醒的事件引起進程阻塞和喚醒的事件 請求系統(tǒng)服務(wù) 2) 啟動某種操作 3) 新數(shù)據(jù)尚未到達 4) 無新工作可做 2.3 進程控制進程控制 （五）（五） 進程在執(zhí)行過程中，需要等待某些條件發(fā)生時，由進程在

33、執(zhí)行過程中，需要等待某些條件發(fā)生時，由該進程調(diào)用阻塞原語把進程從執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。該進程調(diào)用阻塞原語把進程從執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。 算法步驟：算法步驟：中斷中斷CPUCPU執(zhí)行，將執(zhí)行，將CPUCPU的當(dāng)前狀態(tài)保存到的當(dāng)前狀態(tài)保存到PCBPCB的現(xiàn)場信息。的現(xiàn)場信息。 2. 2. 將進程的當(dāng)前狀態(tài)置為阻塞狀態(tài)；將進程的當(dāng)前狀態(tài)置為阻塞狀態(tài)；3. 3. 將進程的將進程的PCBPCB插入到該事件的阻塞隊列中。插入到該事件的阻塞隊列中。 阻塞原語阻塞原語 blockblock（）（）2.3 進程控制進程控制 （五）（五） 算法步驟：算法步驟： 1. 1. 在等待隊列中找到該進程，將其在等待隊

34、列中找到該進程，將其P P的當(dāng)前狀態(tài)置的當(dāng)前狀態(tài)置為就緒；為就緒； 2. 2. 將進程從等待隊列中撤消，并插入到就緒隊列中。將進程從等待隊列中撤消，并插入到就緒隊列中。喚醒喚醒原語原語 wakeupwakeup（）（） 當(dāng)處于阻塞狀態(tài)的進程所等待的事件發(fā)生后，使用喚當(dāng)處于阻塞狀態(tài)的進程所等待的事件發(fā)生后，使用喚醒原語將進程從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。醒原語將進程從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。2.3 進程控制進程控制 （六）（六） 進程在執(zhí)行過程中，根據(jù)用戶或系統(tǒng)的某種需要，進程在執(zhí)行過程中，根據(jù)用戶或系統(tǒng)的某種需要，調(diào)用掛起原語將進程從活動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜止?fàn)顟B(tài)。調(diào)用掛起原語將進程從活動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜止?fàn)?/p>

35、態(tài)。 算法步驟：算法步驟： 1. 1. 根據(jù)外部標(biāo)識檢索根據(jù)外部標(biāo)識檢索PCBPCB集，找到要掛起的集，找到要掛起的PCBPCB塊；塊； 2. 2. 檢查被掛進程的當(dāng)前狀態(tài)：檢查被掛進程的當(dāng)前狀態(tài)： 執(zhí)執(zhí) 行行 態(tài)態(tài) 靜止就緒，并轉(zhuǎn)調(diào)度程序，重新調(diào)度。靜止就緒，并轉(zhuǎn)調(diào)度程序，重新調(diào)度。 活動就緒活動就緒 靜止就緒靜止就緒 活動阻塞活動阻塞 靜止阻塞靜止阻塞掛起原語掛起原語 suspendsuspend（）（）2.3 進程控制進程控制 （六）（六） 算法步驟：算法步驟： 1. 1. 檢查被掛進程的當(dāng)前狀態(tài)：檢查被掛進程的當(dāng)前狀態(tài)： 2. 2. 將進程從相應(yīng)的靜止?fàn)顟B(tài)將進程從相應(yīng)的靜止?fàn)顟B(tài) 活動狀

36、態(tài)?；顒訝顟B(tài)。激活原語激活原語 activeactive（）（） 當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的進程所等待的激活事件發(fā)生后，當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)的進程所等待的激活事件發(fā)生后，使用激活原語將進程從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為活動狀態(tài)。使用激活原語將進程從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為活動狀態(tài)。 一一. . UNIXUNIX系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu) UNIXUNIX系統(tǒng)分為三個層次：系統(tǒng)分為三個層次：核心、用戶接口及實用程序、核心、用戶接口及實用程序、應(yīng)用程序。應(yīng)用程序。2.4 UNIX2.4 UNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（一）（一） UNIXUNIX核心核心 ： 包括四大資源管理功能。由以下部分組成：包括四大資源管理功能。由以下部分組成

37、：1 1、進程控制子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng) 負責(zé)處理機管理和存儲管理，包括進程控制、進程負責(zé)處理機管理和存儲管理，包括進程控制、進程通信、進程調(diào)度及段頁式存儲管理。通信、進程調(diào)度及段頁式存儲管理。2 2、文件子系統(tǒng)文件子系統(tǒng) 將慢速外設(shè)備看作廣義的文件。文件子系統(tǒng)功能包括：將慢速外設(shè)備看作廣義的文件。文件子系統(tǒng)功能包括：文件管理、高速緩沖機制及設(shè)備驅(qū)動。文件管理、高速緩沖機制及設(shè)備驅(qū)動。3 3、兩個接口、兩個接口 核心與硬件的接口核心與硬件的接口 （一組驅(qū)動程序，基本例程）（一組驅(qū)動程序，基本例程） 核心與核心與SHELLSHELL的接口（系統(tǒng)調(diào)用，命令解釋程序）的接口（系統(tǒng)調(diào)用，命令解釋程序）2

38、.4 UNIX2.4 UNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（二）（二）3 3。兩個接口。兩個接口 核心與硬件的接口核心與硬件的接口 （一組驅(qū)動程序，基本例程）（一組驅(qū)動程序，基本例程） 核心與核心與SHELLSHELL的接口的接口 （系統(tǒng)調(diào)用，命令解釋程序）（系統(tǒng)調(diào)用，命令解釋程序）文件子系統(tǒng)文件子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng)進程控制子系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用接口系統(tǒng)調(diào)用接口硬硬 件件硬件控制硬件控制用戶程序用戶程序核核心心級級用戶級用戶級硬件級硬件級2.4 UNIX2.4 UNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（三）（三）PCBPCB 塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1 1。進程表項（。進程表項（PROCPROC結(jié)構(gòu)）：核心數(shù)據(jù)。結(jié)

39、構(gòu)）：核心數(shù)據(jù)。 2。U區(qū)（區(qū)（USER結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)） ： PROCPROC的擴充數(shù)據(jù)。的擴充數(shù)據(jù)。 3 3。系統(tǒng)區(qū)表項。系統(tǒng)區(qū)表項 ：段在物理存儲器的位置等信息。：段在物理存儲器的位置等信息。 4 4。本進程區(qū)表。本進程區(qū)表 ：本段起始虛地址，指向系統(tǒng)區(qū)表中：本段起始虛地址，指向系統(tǒng)區(qū)表中 的本進程區(qū)表項的指針。的本進程區(qū)表項的指針。2.4 2.4 UNIXUNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（四）（四）進程的唯一標(biāo)識。進程的唯一標(biāo)識。擁有該進程的用戶標(biāo)識。擁有該進程的用戶標(biāo)識。記錄該進程的當(dāng)前狀態(tài)（九種）。記錄該進程的當(dāng)前狀態(tài)（九種）。記錄使該進程進入睡眠狀態(tài)的事件。記錄使該進程進入睡眠狀態(tài)的事

40、件。進程及進程及U U區(qū)在內(nèi)存或外存的位置。區(qū)在內(nèi)存或外存的位置。記錄其它進程發(fā)來的軟中斷信號。記錄其它進程發(fā)來的軟中斷信號。進程執(zhí)行時間及對資源的利用情況。進程執(zhí)行時間及對資源的利用情況。用于內(nèi)存分配。用于內(nèi)存分配。設(shè)置進程動態(tài)優(yōu)先級。設(shè)置進程動態(tài)優(yōu)先級。指向指向U U區(qū)進程正文、數(shù)據(jù)及棧在內(nèi)存區(qū)區(qū)進程正文、數(shù)據(jù)及棧在內(nèi)存區(qū)域的指針。域的指針。 1. 1. 進程表項（進程表項（PROCPROC結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)） 包括進程最常用的基本控制信息，常駐內(nèi)存。包括進程最常用的基本控制信息，常駐內(nèi)存。進程標(biāo)識符進程標(biāo)識符PID用戶標(biāo)識符用戶標(biāo)識符UID進程狀態(tài)進程狀態(tài)事件描述符事件描述符進程及進程及U區(qū)位置

41、區(qū)位置軟中斷信號軟中斷信號計時域計時域進程大小進程大小偏置值偏置值指向指向U區(qū)內(nèi)存區(qū)域區(qū)內(nèi)存區(qū)域的指針的指針二、二、 PCB PCB 塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.4 2.4 UNIXUNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（五）（五）指向當(dāng)前執(zhí)行進程的進程表項。指向當(dāng)前執(zhí)行進程的進程表項。（real user IDreal user ID）由超級用戶分配的戶標(biāo)）由超級用戶分配的戶標(biāo) 識符，用于用戶登錄驗證。識符，用于用戶登錄驗證。（effective user IDeffective user ID）一般同上，可由）一般同上，可由系統(tǒng)調(diào)用改變。系統(tǒng)調(diào)用改變。記錄該進程已打開的所有文件。記錄該進程已打開

42、的所有文件。記錄當(dāng)前根及當(dāng)前目錄。記錄當(dāng)前根及當(dāng)前目錄。對進程大小及讀、寫文件字節(jié)數(shù)，方式對進程大小及讀、寫文件字節(jié)數(shù)，方式 及緩沖區(qū)大小等的限制。及緩沖區(qū)大小等的限制。記錄進程（及其子進程）在核心態(tài)和用戶記錄進程（及其子進程）在核心態(tài)和用戶態(tài)執(zhí)行所用時間。態(tài)執(zhí)行所用時間。記錄系統(tǒng)調(diào)用過程中的錯誤。記錄系統(tǒng)調(diào)用過程中的錯誤。標(biāo)識出該標(biāo)識出該user user 結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的 procproc結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 USERUSER結(jié)構(gòu)所包含的信息只有在進程運行時才使用，不一定結(jié)構(gòu)所包含的信息只有在進程運行時才使用，不一定調(diào)入內(nèi)存。調(diào)入內(nèi)存。2、U區(qū)（區(qū)（USER結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)）進程表項指針進程表項

43、指針真正用戶標(biāo)識符真正用戶標(biāo)識符U URUIDRUID有效用戶標(biāo)識符有效用戶標(biāo)識符U UEUIDEUID文件描述表文件描述表文件運行環(huán)境文件運行環(huán)境限制字段限制字段計時器計時器出錯字段出錯字段指向指向U U區(qū)內(nèi)存區(qū)域區(qū)內(nèi)存區(qū)域的指針的指針2.4 2.4 UNIXUNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（六）（六） UNIXUNIX系統(tǒng)中采用段頁式儲存管理，為了把虛地址映射到系統(tǒng)中采用段頁式儲存管理，為了把虛地址映射到實際的物理地址，定義了兩個表：進程區(qū)表，系統(tǒng)區(qū)表。實際的物理地址，定義了兩個表：進程區(qū)表，系統(tǒng)區(qū)表。 儲存管理是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)，因此，儲存管理是進程并發(fā)執(zhí)行的基礎(chǔ)，因此，PCBPCB中

44、也定義了中也定義了有關(guān)儲存管理的字段：有關(guān)儲存管理的字段： 3 3。系統(tǒng)區(qū)表項。系統(tǒng)區(qū)表項 4 4。本進程區(qū)表。本進程區(qū)表三、進程的上、下文三、進程的上、下文 進程是一個進程映象（進程是一個進程映象（Process ImageProcess Image）的執(zhí)行過程，）的執(zhí)行過程，各進程并發(fā)執(zhí)行，各進程并發(fā)執(zhí)行，OSOS經(jīng)常需要把控制從一個現(xiàn)行執(zhí)行的進經(jīng)常需要把控制從一個現(xiàn)行執(zhí)行的進程轉(zhuǎn)換到另一個進程，這個操作稱為程轉(zhuǎn)換到另一個進程，這個操作稱為“關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換”，或，或“上、下文轉(zhuǎn)換上、下文轉(zhuǎn)換”（contextcontext）。）。 進程上、下文是對進程執(zhí)行活動全過程的描述。進程進程上、下

45、文是對進程執(zhí)行活動全過程的描述。進程上、下文包括：上、下文包括： 寄存器上、下文寄存器上、下文， 系統(tǒng)級上、下文系統(tǒng)級上、下文， 用戶級上、下文用戶級上、下文。2.4 2.4 UNIXUNIX系統(tǒng)中的進程（七）系統(tǒng)中的進程（七） 存放進程在運行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。存放進程在運行過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。 如如R0R0、R1 R1 用于系統(tǒng)進程與用戶進程間用于系統(tǒng)進程與用戶進程間傳遞參數(shù)。傳遞參數(shù)。 存放存放CPUCPU正常執(zhí)行的下一條指令的虛地正常執(zhí)行的下一條指令的虛地址。址。 包括當(dāng)前進程的訪問方式（核心態(tài)、用包括當(dāng)前進程的訪問方式（核心態(tài)、用戶態(tài)）中斷優(yōu)先級，中斷或陷入前的訪戶態(tài)）中斷優(yōu)先級，中斷或陷入前的訪問方式。問方式。 指向核心?；蛴脩魲Ｖ邢乱豁椀漠?dāng)前地指向核心?；蛴脩魲Ｖ邢乱豁椀漠?dāng)前地址。址。1 1、寄存器上、下文、寄存器上、下文 又稱硬件關(guān)聯(lián)又稱硬件關(guān)聯(lián) （Hardware ContextHardware Context），存放進程狀態(tài)變化），存放進程狀態(tài)變化時進程運行所對應(yīng)的各寄存器的值。時進程運行所對應(yīng)的各寄存器的值。通用寄存器通用寄存器程序寄存器程序寄存器（計數(shù)器（計數(shù)器PCPC）處理機狀態(tài)寄存器處理機狀態(tài)寄存器（狀態(tài)字（狀態(tài)字PSWPSW）堆棧指針堆棧指針2.4 2.4 UNIXUNIX系統(tǒng)中的進程系統(tǒng)中的進程（七）（七）