操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用課件

操作系統(tǒng)原理及應(yīng)用(Linux)1.1操作系統(tǒng)的地位電腦系統(tǒng)是分層次的，最低層是未配置任何軟體的硬體裸機(jī)，硬體之上是軟體，軟體又分為若干層次，最低層是操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)是覆蓋在裸機(jī)之上的第一層軟體，它直接控制、管理各種硬體資源。所以操作系統(tǒng)是整個(gè)電腦系統(tǒng)的控制管理中心。21.2操作系統(tǒng)的功能操作系統(tǒng)是電腦系統(tǒng)中具有一定功能的軟體系統(tǒng)。操作系統(tǒng)的目標(biāo)是方便用戶使用電腦系統(tǒng)和提高電腦系統(tǒng)資源利用率。31.2.1提供人機(jī)介面1．作業(yè)控制級介面作業(yè)：用戶上機(jī)所作的一系列順序相關(guān)的工作。一道作業(yè)由若干順序相關(guān)的作業(yè)步構(gòu)成。例如，我們上機(jī)編程要經(jīng)歷如下步驟：4

5編輯編譯連接運(yùn)行根源程式目標(biāo)程式可執(zhí)行程式以上作業(yè)的工作流程要由用戶按自己的需求進(jìn)行控制，因此要提供給用戶控制作業(yè)工作流程的手段，這是由操作系統(tǒng)提供的，稱為作業(yè)級介面。作業(yè)級介面由一組用戶可直接使用控制作業(yè)運(yùn)行的命令和命令解釋器構(gòu)成。該介面又可進(jìn)一步分為聯(lián)機(jī)用戶介面和脫機(jī)用戶介面。6（1）聯(lián)機(jī)用戶介面由一組鍵盤字元命令（或滑鼠命令）和命令解釋器組成，使用戶可以聯(lián)機(jī)交互方式使用電腦。用戶每次鍵入一個(gè)合法命令（解釋器能執(zhí)行的命令），啟動(dòng)一個(gè)作業(yè)步；一個(gè)作業(yè)步運(yùn)行完畢後，再鍵入下一個(gè)命令名，啟動(dòng)下一個(gè)作業(yè)步。在一個(gè)作業(yè)步結(jié)束後，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，可以由用戶修正錯(cuò)誤，然後重新啟動(dòng)該作業(yè)步。用戶可根據(jù)作業(yè)運(yùn)行情況隨時(shí)進(jìn)行作業(yè)步的調(diào)整。7（2）脫機(jī)用戶介面操作命令的形式為作業(yè)控制語言，用戶以脫機(jī)批處理方式使用電腦。用戶對作業(yè)流程的控制意圖是利用作業(yè)控制語言書寫成一份作業(yè)說明書來表達(dá)的。上機(jī)時(shí)，用戶將作業(yè)控制說明書交給系統(tǒng)，系統(tǒng)逐條解釋執(zhí)行說明書中的命令。在這種方式下，用戶一旦提交了作業(yè)，作業(yè)流程就由操作系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)控制說明書自動(dòng)控制，用戶無法干預(yù)該作業(yè)的運(yùn)行。因此，用戶必須事先設(shè)計(jì)好作業(yè)流程，還要預(yù)測作業(yè)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，並給出發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)的處理方法。82．程式級介面操作系統(tǒng)提供的程式級介面由一組系統(tǒng)功能調(diào)用命令以及完成這些命令的程式模組組成。為方便用戶編程，提高編程效率，規(guī)範(fàn)編程，操作系統(tǒng)提供了完成某些通用功能的程式提供用戶在開發(fā)應(yīng)用程式時(shí)調(diào)用。不同的操作系統(tǒng)提供了不同的系統(tǒng)功能調(diào)用以及調(diào)用方式。如DOS的系統(tǒng)功能調(diào)用主要是進(jìn)行硬體驅(qū)動(dòng)，以軟中斷INT21H的方式提供。9Windows中的系統(tǒng)功能調(diào)用要比DOS豐富，且層次要高，不只局限於硬體驅(qū)動(dòng)，以用戶可在編程語言中使用的應(yīng)用編程介面函數(shù)的方式提供，稱為API——ApplicationProgrammingInterface。使用Windows的API函數(shù)，可以提高編程效率，並規(guī)範(fàn)Windows環(huán)境下的編程，如可開發(fā)具有統(tǒng)一風(fēng)格的應(yīng)用程式窗口介面，這會(huì)使得軟體用戶能很快熟悉該軟體的窗口介面而不必重新學(xué)習(xí)。101.2.2管理電腦資源電腦系統(tǒng)中的資源包括硬體資源和軟體資源。硬體資源有：處理機(jī)、記憶體、外部設(shè)備；軟體資源有：程式和數(shù)據(jù)。111.處理機(jī)管理處理機(jī)的任務(wù)是運(yùn)行程式，我們把程式在某個(gè)數(shù)據(jù)對象上的一次運(yùn)行過程稱為進(jìn)程，處理機(jī)管理又稱為進(jìn)程管理。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，程式有兩種運(yùn)行方式：單道程式順序執(zhí)行，多道程序併發(fā)執(zhí)行。12單道程式順序執(zhí)行：要執(zhí)行的多個(gè)程式按一定次序依次執(zhí)行，一個(gè)程式運(yùn)行完畢才能運(yùn)行下一個(gè)程式，即在一個(gè)程式運(yùn)行期間不插入運(yùn)行其他程式。這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，不需要在多個(gè)進(jìn)程之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；缺點(diǎn)是資源利用率低。多道程序併發(fā)執(zhí)行：在內(nèi)存中同時(shí)存放多道程序，按一定策略調(diào)度多道程序交叉運(yùn)行，形成“微觀上串行、宏觀上並行”的情況。這使得處理機(jī)和設(shè)備可以並行工作，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程在進(jìn)行輸入輸出操作時(shí)，可以同時(shí)有另一個(gè)進(jìn)程在處理機(jī)上進(jìn)行計(jì)算。

132.存儲(chǔ)管理電腦系統(tǒng)採用了馮·諾依曼提出的存儲(chǔ)程式原理，即把要運(yùn)行的程式先一次性存放在記憶體中，然後由處理機(jī)自動(dòng)從記憶體中依次取出程式指令運(yùn)行，處理機(jī)的運(yùn)行過程就是不斷地取指令、執(zhí)行指令循環(huán)往復(fù)的過程，每次取一條指令，執(zhí)行一條指令。則記憶體是電腦系統(tǒng)中的重要資源與處理機(jī)一起稱為電腦系統(tǒng)中的主機(jī)。因此，程式的運(yùn)行機(jī)構(gòu)不只是處理機(jī)，而是由處理機(jī)和記憶體構(gòu)成的主機(jī)。14在多道程序環(huán)境中，要在內(nèi)存中同時(shí)存放多道程序，則必須對內(nèi)存進(jìn)行合理管理以保證程式的順利運(yùn)行，並提高記憶體的利用率。操作系統(tǒng)提供如下存儲(chǔ)管理功能：（1）記憶體分配（2）地址轉(zhuǎn)換（3）記憶體保護(hù)（4）記憶體擴(kuò)充153.設(shè)備管理設(shè)備管理的任務(wù)是：接受用戶程式提出的I/O請求，為用戶程式分配I/O設(shè)備；使CPU和I/O設(shè)備並行操作，提高CPU和I/O設(shè)備的利用率；提高I/O速度；方便用戶程式使用I/O設(shè)備。為完成以上任務(wù)，操作系統(tǒng)的設(shè)備管理子系統(tǒng)應(yīng)該具有設(shè)備分配、緩衝管理、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、設(shè)備無關(guān)性等功能。

16設(shè)備無關(guān)性又稱設(shè)備獨(dú)立性。即用戶編寫的應(yīng)用程式與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)。用戶編寫的應(yīng)用程式中不直接指定使用哪臺(tái)具體的物理設(shè)備，而是使用操作系統(tǒng)提供的邏輯設(shè)備，然後由操作系統(tǒng)把用戶程式中使用的邏輯設(shè)備映射到具體的物理設(shè)備，實(shí)施具體的I/O操作。這樣做的一個(gè)明顯好處是用戶應(yīng)用進(jìn)程的運(yùn)行不取決於某臺(tái)具體物理設(shè)備的狀態(tài)，而由操作系統(tǒng)為其分配一臺(tái)合適的設(shè)備完成I/O操作。這樣會(huì)避免出現(xiàn)有設(shè)備可用但進(jìn)程卻無法運(yùn)行的情況。174.檔管理電腦系統(tǒng)中的軟體資源（程式和數(shù)據(jù)的集合）不是一次性用品，用了一次後就再也不用了，而是要反復(fù)利用的，因此要永久保存（相對於記憶體的暫時(shí)存儲(chǔ)而言）起來，如銀行中的存貸款數(shù)據(jù)、學(xué)校的學(xué)籍管理軟體和學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)等等。軟體資源以檔的形式存放在外部存儲(chǔ)介質(zhì)中，供用戶反復(fù)使用。18操作系統(tǒng)中對檔進(jìn)行管理的子系統(tǒng)稱為檔系統(tǒng)，檔系統(tǒng)的任務(wù)是：為用戶提供一種簡便的、統(tǒng)一的存取和管理檔的方法，對用戶而言，按名存取是一種簡便的存取檔的手段；實(shí)現(xiàn)檔的共用；維護(hù)檔的秘密和安全。19檔管理具體有如下功能：（1）檔存儲(chǔ)空間的管理（2）目錄管理（3）檔操作（4）檔的存取許可權(quán)控制根據(jù)以上所述操作系統(tǒng)的功能，我們可以給操作系統(tǒng)下一個(gè)描述性的定義：操作系統(tǒng)是一個(gè)軟體系統(tǒng)，它控制和管理電腦系統(tǒng)內(nèi)各種硬體和軟體資源，提供用戶與電腦系統(tǒng)之間的介面。201.3操作系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3.1推動(dòng)操作系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?.不斷提高電腦資源利用率的需要2.方便用戶3.器件的不斷更新?lián)Q代4.電腦體系結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展211.3.2無操作系統(tǒng)的電腦系統(tǒng)此時(shí)，人們採用手工方式使用電腦，用戶一個(gè)挨一個(gè)地輪流使用電腦。每個(gè)用戶的工作過程大致是：先把程式紙帶（或卡片）裝到輸入機(jī)上，然後啟動(dòng)輸入機(jī)把程式和數(shù)據(jù)輸入電腦記憶體，接著利用控制臺(tái)開關(guān)啟動(dòng)程式開始執(zhí)行。計(jì)算結(jié)束，用戶取走列印出來的結(jié)果，並卸下紙帶.22在這個(gè)過程中，需要人工裝卸紙帶、人工控制程式運(yùn)行。手工操作速度相對於電腦的運(yùn)行速度而言是很慢的，因此在使用電腦完成某一工作的整個(gè)過程中，手工操作時(shí)間占了很大的比例，而電腦運(yùn)行時(shí)間所占比例較小，這就形成了明顯的人機(jī)矛盾，致使電腦資源利用率很低，從而使電腦工作效率很低。在早期電腦運(yùn)行速度較慢的時(shí)候，這種狀況還是可以容忍的。231.3.3單道批處理系統(tǒng)單道批處理系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)稱為監(jiān)督程式，是操作系統(tǒng)的雛形。監(jiān)督程式常駐記憶體，在它的控制下，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)的自動(dòng)過渡，從而去掉了原先的作業(yè)過渡時(shí)的手工操作。此時(shí)，出現(xiàn)了組合語言、高級語言編程工具，每一種語言編譯程序（如組合語言或某種高級語言的編譯程序）、實(shí)用程式（如連接程式）都作為監(jiān)督程式的子例程，當(dāng)需要用到它們時(shí)由監(jiān)督程式進(jìn)行調(diào)用。24早期的批處理分為聯(lián)機(jī)批處理和脫機(jī)批處理兩種。1.聯(lián)機(jī)批處理操作員把一批作業(yè)裝到輸入設(shè)備上（紙帶輸入機(jī)/卡片閱讀機(jī)），然後由監(jiān)督程式控制把這批作業(yè)輸入到磁帶上，之後在監(jiān)督程式的控制下，使這批作業(yè)一個(gè)接一個(gè)的連續(xù)執(zhí)行，直至磁帶上的所有作業(yè)運(yùn)行完畢。2526輸入帶主機(jī)輸出帶輸入帶讀卡機(jī)印表機(jī)輸出帶衛(wèi)星機(jī)卡片1.3.4多道批處理系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高資源利用率，從而最終提高系統(tǒng)吞吐量（系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)完成的總工作量），在60年代中期引入了多道程序併發(fā)執(zhí)行技術(shù)，從而形成了多道批處理系統(tǒng)。多道程序併發(fā)執(zhí)行的基本思想是：在內(nèi)存中同時(shí)存放多道程序，在操作系統(tǒng)的控制下交替執(zhí)行。在多道批處理系統(tǒng)中，用戶提交的作業(yè)都先存放在外存中並排成一個(gè)佇列，稱為後備佇列，然後由作業(yè)調(diào)度程式按一定的策略從後備佇列中選擇若干作業(yè)調(diào)入記憶體，使它們併發(fā)運(yùn)行，從而共用系統(tǒng)中的各種資源，提高資源利用率，最終提高系統(tǒng)吞吐量。27多道程序併發(fā)執(zhí)行系統(tǒng)的特徵：（1）多道性（2）調(diào)度性（3）宏觀上並行，微觀上串行（4）非同步性281.3.5分時(shí)系統(tǒng)在分時(shí)系統(tǒng)中，雖然若干用戶通過各自的終端共用一臺(tái)主機(jī)，但是在操作系統(tǒng)的管理下，每個(gè)用戶都感覺自己在獨(dú)佔(zhàn)一臺(tái)主機(jī)。分時(shí)系統(tǒng)採用的策略是：基於主機(jī)的高速運(yùn)行，分時(shí)為終端用戶服務(wù)。即主機(jī)按一定次序輪流為各終端用戶服務(wù)，每個(gè)用戶一次僅使用主機(jī)很短的一段時(shí)間（稱為時(shí)間片，毫秒級），在分得的時(shí)間片內(nèi)若用戶沒有完成工作則暫時(shí)中斷，將處理機(jī)分配給下一個(gè)用戶。雖然在一個(gè)用戶使用主機(jī)時(shí)其他用戶處於等待狀態(tài)，但是等待的時(shí)間很短，用戶感覺不到，從而每個(gè)用戶的各次請求都能得到快速回應(yīng)，給每個(gè)用戶的印象是：他獨(dú)佔(zhàn)一臺(tái)電腦。29分時(shí)系統(tǒng)具有以下特徵：（1）多個(gè)用戶同時(shí)聯(lián)機(jī)操作（2）各用戶獨(dú)立（3）交互性301.3.6即時(shí)系統(tǒng)1.即時(shí)控制當(dāng)把電腦用於生產(chǎn)過程的控制，以形成以電腦為中心的控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)要求能即時(shí)採集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，並對所採集的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，進(jìn)而自動(dòng)地控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使某些（個(gè)）參數(shù)（如溫度、壓力、方位等）能按預(yù)定的規(guī)律變化。類似地，也可將電腦用於武器的控制，如火炮自動(dòng)控制系統(tǒng)、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，以及導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)等。通常把要求進(jìn)行即時(shí)控制的系統(tǒng)稱為即時(shí)控制系統(tǒng)。312.即時(shí)資訊處理通常，我們把要求對資訊進(jìn)行即時(shí)處理的系統(tǒng)，稱為即時(shí)資訊處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一臺(tái)或多臺(tái)主機(jī)通過通信線路連接成百上千個(gè)遠(yuǎn)程終端，電腦接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來的服務(wù)請求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和處理，並及時(shí)將結(jié)果回饋給用戶。典型的即時(shí)資訊處理系統(tǒng)有：飛機(jī)訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索即時(shí)系統(tǒng)的特徵：（1）及時(shí)性（2）可靠性321.3.7微機(jī)操作系統(tǒng)1.單用戶單任務(wù)操作系統(tǒng)

單用戶單任務(wù)是指，只允許一個(gè)用戶上機(jī)，用戶要運(yùn)行的多個(gè)程式要按一定次序依次執(zhí)行，不能交替執(zhí)行。這是最簡單的微機(jī)操作系統(tǒng)，代表性產(chǎn)品是：CP/M和MS-DOS。332.單用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)單用戶多任務(wù)是指，只允許一個(gè)用戶上機(jī)，但是可以併發(fā)執(zhí)行多道程序，從而充分利用系統(tǒng)資源，滿足用戶同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的需求，如一邊打字一邊聽音樂。代表性產(chǎn)品是OS/2和Windows。343.多用戶多任務(wù)操作系統(tǒng)微機(jī)是面向個(gè)人用戶而開發(fā)的，所以一般由單個(gè)用戶使用，配置單用戶操作系統(tǒng)。但是這並不意味著微機(jī)不可由多個(gè)用戶同時(shí)聯(lián)機(jī)使用，特別是現(xiàn)在的微機(jī)與小型機(jī)的差距已經(jīng)很小，只要在微機(jī)上配置多用戶操作系統(tǒng)就可以使微機(jī)同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)。具有代表性的產(chǎn)品是UNIX、LINUX。351.3.8網(wǎng)路操作系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)電腦之間的數(shù)據(jù)通信和資源共用，把分佈在各處的電腦通過通信線路連接在一起，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，這就是電腦網(wǎng)絡(luò)。電腦網(wǎng)絡(luò)要有一個(gè)網(wǎng)路操作系統(tǒng)對整個(gè)網(wǎng)路實(shí)施管理，並為用戶提供統(tǒng)一的、方便的網(wǎng)路介面。網(wǎng)路操作系統(tǒng)一般建立在各個(gè)主機(jī)的本地操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，其功能是：實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路通信、資源共用和保護(hù)，提供網(wǎng)路服務(wù)和網(wǎng)路介面。361.3.9分佈式操作系統(tǒng)大量的實(shí)際應(yīng)用要求一個(gè)完整的一體化的系統(tǒng)。在分佈式系統(tǒng)中，有一個(gè)全局的分佈式操作系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的資源分配和調(diào)度、任務(wù)劃分、資訊傳輸、控制協(xié)調(diào)等工作，並為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的介面。用戶通過這一介面實(shí)現(xiàn)所需的操作和使用系統(tǒng)資源，至於操作是在哪一臺(tái)電腦上資源是系統(tǒng)的事，用戶不必知道，即系統(tǒng)對用戶是透明的。371.4操作系統(tǒng)的特性併發(fā)性共用性非同步性虛擬性其中，併發(fā)性是操作系統(tǒng)的最基本的特徵。381.5操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一般而言，操作系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)：層次結(jié)構(gòu)、微內(nèi)核結(jié)構(gòu)。1.5.1層次結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是：按照操作系統(tǒng)各模組的功能和相互依存關(guān)係，把系統(tǒng)中的模組分為若干層次，其中任一層（除底層模組）都建立在它下麵一層的基礎(chǔ)上，每一層僅使用其下層所提供的服務(wù)。391.5.2微內(nèi)核結(jié)構(gòu)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的。其基本思想是：把操作系統(tǒng)中的基本功能模組組織為微內(nèi)核，其他功能模組儘量放到核外，通過調(diào)用微內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)。微內(nèi)核結(jié)構(gòu)是對傳統(tǒng)內(nèi)核的提煉，它有如下優(yōu)點(diǎn)：1.簡化內(nèi)核代碼維護(hù)工作2.建構(gòu)靈活3.安全性高4.方便移植401.6LINUX介紹Linux現(xiàn)在是個(gè)人電腦和工作站上的UNIX類操作系統(tǒng)。按照層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，在同一種硬體平臺(tái)上面，Linux可以提供和UNIX相同的服務(wù)，即相同的用戶級和程式員級介面。同時(shí)，Linux絕不是簡化的UNIX。相反，Linux是強(qiáng)有力和具有創(chuàng)新意義的UNIX操作系統(tǒng)。它不僅繼承了UNIX的特徵，而且在許多方面超過了UNIX。作為UNIX類操作系統(tǒng)，它具有下列基本特徵：41（1）是真正的多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)；（2）是符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)；（3）提供具有內(nèi)置安全措施的分層的檔系統(tǒng)；（4）提供shell命令解釋程式和編程語言；（5）提供強(qiáng)大的管理功能，包括遠(yuǎn)程管理功能；（6）具有內(nèi)核的編程介面；（7）具有圖形用戶介面；（8）具有大量有用的實(shí)用程式和通信、聯(lián)網(wǎng)工具；（9）具有面向螢?zāi)坏木幘冘涹w。422.1進(jìn)程的基本概念

2.1.1程式的順序執(zhí)行及其特徵1．程式的順序執(zhí)行

程式是人們要電腦完成的一些指令序列，是一個(gè)按嚴(yán)格次序、順序執(zhí)行的操作序列，是一個(gè)靜態(tài)的概念。我們把一個(gè)具有獨(dú)立功能的程式獨(dú)佔(zhàn)處理機(jī)，直到最後結(jié)束的過程稱為程式的順序執(zhí)行。2．程式順序執(zhí)行時(shí)的特徵（1）順序性。（2）封閉性。（3）可再現(xiàn)性。432.1.2程式的併發(fā)執(zhí)行及其特徵1．併發(fā)執(zhí)行的概念

所謂程式的併發(fā)性，是指多道程序在同一時(shí)間間隔內(nèi)同時(shí)發(fā)生。程式的併發(fā)執(zhí)行可總結(jié)為：一組在邏輯上互相獨(dú)立的程式或程式段在執(zhí)行過程中，其執(zhí)行時(shí)間在客觀上互相重疊，即一個(gè)程式段的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一個(gè)程式段的執(zhí)行已經(jīng)開始的一種執(zhí)行方式。442．程式併發(fā)執(zhí)行時(shí)的特徵（1）間斷性程式在併發(fā)執(zhí)行時(shí)，由於它們共用系統(tǒng)資源，以及為完成同一項(xiàng)任務(wù)而相互合作，致使這些併發(fā)執(zhí)行的程式之間，形成了相互制約的關(guān)係。相互制約將導(dǎo)致併發(fā)程式具有“執(zhí)行——暫停——執(zhí)行”這種間斷性的活動(dòng)規(guī)律。（2）失去封閉性某程式在執(zhí)行時(shí)，必然會(huì)受到其他程式的影響。（3）不可再現(xiàn)性在併發(fā)環(huán)境下，同一個(gè)程式執(zhí)行多次，執(zhí)行的過程可能不同。用程式作為描述其執(zhí)行過程以及共用資源的基本單位是不合適的。因此引入了進(jìn)程作為描述程式的執(zhí)行過程、共用資源的基本單位。452.1.3進(jìn)程的定義與特徵1．進(jìn)程的定義人們對進(jìn)程下過許多定義?，F(xiàn)列舉其中的幾種：（1）進(jìn)程是程式的一次執(zhí)行。（2）進(jìn)程是可以和別的進(jìn)程併發(fā)執(zhí)行的計(jì)算。（3）進(jìn)程就是一個(gè)程式在給定活動(dòng)空間和初始條件下，在一個(gè)處理機(jī)上的執(zhí)行過程。（4）進(jìn)程是程式在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的運(yùn)行過程，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位（5）進(jìn)程是動(dòng)態(tài)的，有生命週期的活動(dòng)。內(nèi)核可以創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程，最終將由內(nèi)核終止該進(jìn)程使其消亡。46進(jìn)程和程式之間的關(guān)係

進(jìn)程和程式是兩個(gè)完全不同的概念，但又有密切的聯(lián)繫。它們之間的主要區(qū)別是：（1）程式是靜態(tài)的概念，；而進(jìn)程則是程式的一次執(zhí)行過程。它是動(dòng)態(tài)的概念。（2）進(jìn)程是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的單位，能與其它進(jìn)程併發(fā)執(zhí)行；而程式是不能作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的單位而併發(fā)執(zhí)行的。（3）程式和進(jìn)程無一一對應(yīng)的關(guān)係。（4）各個(gè)進(jìn)程在併發(fā)執(zhí)行過程中會(huì)產(chǎn)生相互制約關(guān)係，而程式本身是靜態(tài)的，不存在這種非同步特徵。472．進(jìn)程的特徵從進(jìn)程與程式的區(qū)別可以看出，進(jìn)程具有如下特徵：（1）動(dòng)態(tài)性動(dòng)態(tài)性是進(jìn)程最基本的特性。進(jìn)程由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而執(zhí)行，因得不到資源而暫停執(zhí)行，以及因撤銷而消亡。（2）併發(fā)性這是指多個(gè)進(jìn)程實(shí)體，同存於記憶體中，能在一段時(shí)間段內(nèi)同時(shí)執(zhí)行。併發(fā)性是進(jìn)程的重要特徵，同時(shí)也是操作系統(tǒng)的重要特徵。提高併發(fā)性，可以提高系統(tǒng)的效率。（3）獨(dú)立性進(jìn)程是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，同時(shí)也是系統(tǒng)中獨(dú)立獲得資源和獨(dú)立調(diào)度的基本單位。（4）非同步性這是指進(jìn)程按各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)；或者說，進(jìn)程按非同步方式運(yùn)行。（5）結(jié)構(gòu)特徵從結(jié)構(gòu)上看，進(jìn)程實(shí)體是由程式段、數(shù)據(jù)段及進(jìn)程控制塊三部分組成，也稱這三部分為進(jìn)程映像。482.1.4進(jìn)程的基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換1．進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)進(jìn)程通常至少有三種基本狀態(tài)：（1）就緒狀態(tài)（ready）進(jìn)程運(yùn)行所需的外部條件滿足，但因?yàn)槠渌M(jìn)程已佔(zhàn)用CPU，所以暫時(shí)不能運(yùn)行。（2）執(zhí)行狀態(tài)(running)

外部條件滿足，進(jìn)程已獲得CPU，其程式正在執(zhí)行。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，只有一個(gè)進(jìn)程處於執(zhí)行狀態(tài)。（3）阻塞狀態(tài)(blocked)

進(jìn)程因等待某種事件發(fā)生，而暫時(shí)不能運(yùn)行的狀態(tài)，稱為阻塞狀態(tài)，也稱為等待狀態(tài)。系統(tǒng)中處於這種狀態(tài)的進(jìn)程可能有多個(gè)，通常將它們排成一個(gè)佇列，也有的系統(tǒng)則根據(jù)阻塞原因的不同將這些進(jìn)程排成多個(gè)佇列。492．進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

對於一個(gè)系統(tǒng)中處於就緒狀態(tài)的進(jìn)程，在調(diào)度程式為之分配了處理機(jī)之後，該進(jìn)程便可執(zhí)行，相應(yīng)地，它由就緒態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行狀態(tài)。正在執(zhí)行的進(jìn)程也稱為當(dāng)前進(jìn)程，如果因分配給它的時(shí)間片已用完而被暫停執(zhí)行時(shí)，該進(jìn)程便由執(zhí)行狀態(tài)又回到就緒狀態(tài)；一個(gè)處在執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程，如果因發(fā)生某事件而使進(jìn)程的執(zhí)行受阻，使之無法繼續(xù)執(zhí)行，該進(jìn)程將由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)。一個(gè)處於阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，當(dāng)它所需的外部事件滿足，它應(yīng)由阻塞狀態(tài)變?yōu)榫途w狀態(tài)。50程執(zhí)行完成或撤銷阻塞狀態(tài)就緒狀態(tài)調(diào)度用片間時(shí)進(jìn)程創(chuàng)建進(jìn)等待某事件發(fā)生如I/O請求外部事件發(fā)生圖2-1進(jìn)程的基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換圖完513．引入掛起狀態(tài)時(shí)的進(jìn)程狀態(tài)

所謂掛起狀態(tài)，實(shí)際上就是一種靜止的狀態(tài)。一個(gè)進(jìn)程被掛起後，不管它是否在就緒狀態(tài)，系統(tǒng)都不分配給它處理機(jī)。在引入掛起狀態(tài)後，進(jìn)程之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換除了四種基本狀態(tài)轉(zhuǎn)換以外，又增加了以下幾種：（1）活動(dòng)就緒——靜止就緒。（2）活動(dòng)阻塞——靜止阻塞。（3）靜止就緒——活動(dòng)就緒。（4）靜止阻塞——活動(dòng)阻塞。52執(zhí)行外部事件滿足外掛起啟動(dòng)掛起掛啟動(dòng)活動(dòng)就緒靜止就緒活動(dòng)阻塞靜止阻塞調(diào)度圖2-2具有掛起狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換等部事件外待起部條件滿足完成或撤銷532.1.5Linux進(jìn)程的狀態(tài)

Linux系統(tǒng)的一個(gè)任務(wù)總體上有以下幾種狀態(tài)：（1）運(yùn)行狀態(tài)（running）該狀態(tài)對應(yīng)state取值為TASK_RUNNING。（2）等待狀態(tài)（waiting）（3）中斷處理狀態(tài)（interruptroutine）此狀態(tài)對應(yīng)state取值TASK_RUNNING。（4）系統(tǒng)調(diào)用期間（systemcall）此狀態(tài)對應(yīng)state取值TASK_RUNNING。（5）從系統(tǒng)調(diào)用返回（returnfromsystemcall）54（6）就緒態(tài)（ready）

處於此狀態(tài)的進(jìn)程正在競爭處理機(jī)，但此刻處理機(jī)正在為另一個(gè)進(jìn)程服務(wù)。此狀態(tài)對應(yīng)state取值TASK_RUNNING。

Linux系統(tǒng)內(nèi)核在進(jìn)程控制塊中用state成員描述進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)，並明確定義了5種進(jìn)程狀態(tài)。它們分別是：（1）TASK-RUNNING狀態(tài)，Linux系統(tǒng)中的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)際包含了上述基本狀態(tài)中的執(zhí)行和就緒兩種狀態(tài)。（2）TASK-INTERRUPTIBLE狀態(tài)，可中斷的等待態(tài)。進(jìn)程正在等待某些事件。（3）TASK-UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)，等待態(tài)，不可中斷。（4）TASK-ZOMBIE狀態(tài)，僵死態(tài)。（5）TASK-STOPPED狀態(tài)，暫停態(tài)。55

Linux任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

運(yùn)行態(tài)從系統(tǒng)調(diào)用返回中斷例程系統(tǒng)調(diào)用等待就緒調(diào)度中斷用戶態(tài)系統(tǒng)態(tài)圖2-3Linux任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2.2進(jìn)程的描述

進(jìn)程實(shí)體通常是由程式、數(shù)據(jù)集合和PCB這三部分構(gòu)成，也稱為“進(jìn)程映象”。

PCB程式部分?jǐn)?shù)據(jù)集合57圖2-4進(jìn)程的一般組成模型2.2.1進(jìn)程控制塊PCB

PCB集中反映一個(gè)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特徵，當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)新進(jìn)程時(shí)，就為它建立一個(gè)PCB；當(dāng)進(jìn)程終止後，系統(tǒng)回收其PCB，該進(jìn)程在系統(tǒng)中就不存在了。所以，PCB是進(jìn)程存在的惟一標(biāo)誌。可以按照功能將PCB分成四個(gè)組成部分：進(jìn)程識別字、處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度資訊、進(jìn)程控制資訊。581．進(jìn)程識別字進(jìn)程識別字用於惟一地標(biāo)識一個(gè)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程通常有兩種識別字：（1）進(jìn)程內(nèi)部識別字。（2）進(jìn)程外部識別字。2．處理機(jī)狀態(tài)：由各種寄存器中的內(nèi)容組成。3．進(jìn)程調(diào)度資訊（1）進(jìn)程狀態(tài)。（2）進(jìn)程優(yōu)先順序。（3）進(jìn)程調(diào)度所需要的其他資訊。（4）事件，或阻塞原因。4．進(jìn)程控制資訊，包括：（1）程式和數(shù)據(jù)的地址；（2）進(jìn)程同步和通信機(jī)制；（3）資源清單；（4）鏈接指針。592.2.2進(jìn)程控制塊的組織方式各進(jìn)程的PCB有如下幾種組織方式：線性方式、鏈接方式和索引方式。1．線性方式將各進(jìn)程的PCB依次放入一個(gè)表中，結(jié)構(gòu)如下圖所示。PCB1PCB2PCB3……PCBn-1PCBn60圖2-5PCB的線性組織方式2．鏈接方式

鏈接方式是經(jīng)常採用的方式。其原理是：按照進(jìn)程的不同狀態(tài)分別將其放在不同的佇列。Linux操作系統(tǒng)就是應(yīng)用這種進(jìn)程控制塊組織方式。運(yùn)行佇列指針就緒佇列指針PCBPCBPCB0阻塞佇列1指針阻塞佇列2指針PCB0PCBPCBPCB0PCBPCBPCB0圖2-6PCB鏈接佇列示意圖613．索引方式系統(tǒng)根據(jù)所有進(jìn)程的狀態(tài)建立幾張索引表。阻塞索引表就緒索引表執(zhí)行指針就緒表指針阻塞表指針PCB1PCB2PCB3PCB4PCB5PCB6PCB7圖2-7PCB索引結(jié)構(gòu)示意圖622.2.3Linux進(jìn)程的PCBLinux系統(tǒng)中的進(jìn)程稱為任務(wù)。該系統(tǒng)的進(jìn)程控制塊PCB用一個(gè)稱為task-struct的結(jié)構(gòu)體來描述，Linux系統(tǒng)PCB包含以下資訊：1．進(jìn)程描述資訊（1）進(jìn)程標(biāo)識號（pid，processidentifier）（2）用戶和組標(biāo)識（userandgroupidentifier）（3）連接資訊（Links）2．進(jìn)程控制資訊（1）進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)（2）調(diào)度資訊（3）記時(shí)資訊（4）通信資訊63Linux支持典型的UNIX進(jìn)程間通信機(jī)制——信號、管道，也支持SystemⅤ通信機(jī)制——共用記憶體、信號量和消息佇列。3．進(jìn)程資源資訊記錄了與該進(jìn)程有關(guān)的記憶體的各種地址和資料、檔系統(tǒng)以及打開檔的資訊等等。4．CPU現(xiàn)場資訊642.3進(jìn)程控制

所謂進(jìn)程控制，就是系統(tǒng)使用一引起具有特定功能的程式段來創(chuàng)建、撤銷進(jìn)程以及完成進(jìn)程各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到多進(jìn)程高效率併發(fā)執(zhí)行和協(xié)調(diào)、實(shí)現(xiàn)資源共用的目的。原語：把系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行的某些具有特定功能並且不可被中斷的程式段稱為原語。原語的特點(diǎn)是：系統(tǒng)程式、不可被中斷。系統(tǒng)在創(chuàng)建、撤銷一個(gè)進(jìn)程以及要改變進(jìn)程的狀態(tài)時(shí)，都要調(diào)用相應(yīng)的程式段來完成這些功能。用於進(jìn)程控制的原語有：創(chuàng)建原語、撤銷原語、阻塞原語、喚醒原語等。652.3.1進(jìn)程的創(chuàng)建與終止1．進(jìn)程的創(chuàng)建導(dǎo)致進(jìn)程創(chuàng)建的事件有：用戶登錄、作業(yè)調(diào)度、為用戶提供服務(wù)等。創(chuàng)建原語Creat()，通過下述步驟創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程。（1）申請空白PCB。（2）為新進(jìn)程分配資源。（3）初始化進(jìn)程控制塊。（4）將新建進(jìn)程插入就緒態(tài)佇列。2．進(jìn)程的終止過程在進(jìn)程中，操作系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)程終止原語，終止本進(jìn)程。過程如下：（1）根據(jù)被終止進(jìn)程的識別字，從PCB佇列中檢索出該進(jìn)程的PCB，從中讀出該進(jìn)程的狀態(tài)。。（2）若被終止進(jìn)程正處於執(zhí)行狀態(tài)，應(yīng)立即終止該進(jìn)程的執(zhí)行，該進(jìn)程被終止後應(yīng)重新進(jìn)程調(diào)度。（3）檢查該進(jìn)程有無子孫進(jìn)程，若有，則應(yīng)將其所有子孫進(jìn)程終止。（4）釋放終止的進(jìn)程所佔(zhàn)有的資源，將其歸還它的父進(jìn)程或者系統(tǒng)。（5）將被終止的進(jìn)程從它的PCB佇列中移出。663．進(jìn)程阻塞與進(jìn)程喚醒

進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要通過進(jìn)程之間的同步或通信機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，也可直接使用“阻塞原語”和“喚醒原語”來實(shí)現(xiàn)。（1）進(jìn)程的阻塞當(dāng)一個(gè)進(jìn)程所等待的某一事件尚未發(fā)生時(shí)，該進(jìn)程調(diào)用阻塞原語block()將自己阻塞，轉(zhuǎn)換為等待狀態(tài)。（2）進(jìn)程的喚醒處於等待狀態(tài)的進(jìn)程，只有當(dāng)該進(jìn)程所等待的外部事件發(fā)生時(shí)，才由發(fā)生該事件的進(jìn)程調(diào)用喚醒原語wakeup()將它喚醒。672.3.2幾個(gè)相關(guān)的Linux系統(tǒng)調(diào)用

在Linux系統(tǒng)中，系統(tǒng)向用戶提供了一些對進(jìn)程進(jìn)行控制的系統(tǒng)調(diào)用。常用的有：1．fork()系統(tǒng)調(diào)用

Linux利用fork()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。2．Exec系統(tǒng)調(diào)用利用exec系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行另一個(gè)程式。3．exit()系統(tǒng)調(diào)用父進(jìn)程在創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)，應(yīng)在進(jìn)程的末尾寫一條exit，使子進(jìn)程自我終止。4．wait系統(tǒng)調(diào)用將調(diào)用進(jìn)程掛起，直至其子進(jìn)程因暫?；蚪K止而發(fā)來軟中斷信號為止。682.3.3進(jìn)程的阻塞與喚醒

實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的執(zhí)行狀態(tài)到等待狀態(tài)，又由等待狀態(tài)到就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換的兩種原語，分別為阻塞原語與喚醒原語。入口保存該進(jìn)程的CPU現(xiàn)場字置該進(jìn)程的狀態(tài)阻塞進(jìn)程PCB進(jìn)入等待佇列轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度入口從等待佇列取被喚醒進(jìn)程將被喚醒進(jìn)程置為就緒態(tài)被喚醒進(jìn)程插入就緒佇列轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度或返回圖2-8阻塞原語的實(shí)現(xiàn)圖2-9喚醒原語的實(shí)現(xiàn)692.4進(jìn)程的同步與互斥2.4.1臨界資源的概念1．臨界資源

兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程不能同時(shí)使用的資源為臨界資源。臨界資源可能是一些獨(dú)佔(zhàn)設(shè)備，如印表機(jī)、磁帶機(jī)等；也可能是一些共用變數(shù)、表格、鏈表等。702．臨界區(qū)

每個(gè)進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區(qū)。在臨界區(qū)前面增加一段用於進(jìn)行檢查的代碼，把這段代碼稱為進(jìn)入?yún)^(qū)；相應(yīng)地，在臨界區(qū)後面再加一段用於退出臨界區(qū)的代碼，稱為退出區(qū)。進(jìn)程中除去上述進(jìn)入?yún)^(qū)和退出區(qū)，其他部分的代碼，稱為剩餘區(qū)。這樣，可將一個(gè)訪問臨界資源的進(jìn)程描述如下：repeat

進(jìn)入?yún)^(qū)；臨界區(qū)；退出區(qū)；剩餘區(qū)；untilfalse;712.4.2進(jìn)程的互斥與同步1．同步與互斥的概念所謂進(jìn)程互斥，是指多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)使用同一個(gè)臨界資源CR。即兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程必須互斥地使用臨界資源，或不能同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)CS。兩個(gè)邏輯上完全獨(dú)立、毫無關(guān)係的進(jìn)程，由於競爭同一個(gè)資源而相互制約，就稱為進(jìn)程的互斥。所謂進(jìn)程同步，是指有協(xié)作關(guān)係的進(jìn)程之間，要不斷地調(diào)整它們之間的相對速度或執(zhí)行過程，以保證臨界資源的合理利用和進(jìn)程的順利執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步的機(jī)制稱為進(jìn)程同步機(jī)制。2．同步機(jī)制應(yīng)遵循的規(guī)則所有同步機(jī)制都應(yīng)遵循下列準(zhǔn)則：（1）空閒讓進(jìn)。（2）忙則等待。（3）有限等待。（4）讓權(quán)等待。722.4.3鎖機(jī)制

實(shí)現(xiàn)互斥的一種軟體是採用鎖機(jī)制，即提供一對上鎖（Lock）和開鎖（UnLock）原語，以及一個(gè)鎖變數(shù)w（或者是鎖位１個(gè)bit）。加鎖及解鎖原語可描述如下：加鎖原語：

Lockw：

L：ifw=1thengotoLElsew:=1開鎖原語：UnLockw：

w：=0;732.4.4信號量機(jī)制

申請和釋放臨界資源的兩個(gè)原語操作：wait操作和signal操作，有時(shí)也稱為Ｐ操作和Ｖ操作。信號量（Semaphore），也叫做信號燈，它是在信號量同步機(jī)制中用於實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步和互斥的有效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們可以為每類資源設(shè)置一個(gè)信號量。它有多種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即：整型信號量、記錄型信號量、ＡＮＤ型信號量及信號量集等。741．整型信號量

整型信號量的數(shù)值表示當(dāng)前系統(tǒng)中可用的該類臨界資源的數(shù)量。如設(shè)置整型信號量s，則s的值意義為：s>0，則s的值表示系統(tǒng)中空閑的該類臨界資源的個(gè)數(shù)；s=0，則表示系統(tǒng)中該類臨界資源剛好全部被佔(zhàn)用，而且沒有進(jìn)程在等待該臨界資源；s<0，則s的絕對值表示系統(tǒng)中的進(jìn)程等待該類臨界資源的個(gè)數(shù)；752．記錄型信號量

記錄型信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成。例如：定義記錄型信號量Ｓ，則：s的值表示系統(tǒng)中可用的該類臨界資源的數(shù)量，而Ｌ為進(jìn)程鏈表指針，指向等待該類資源的PCB佇列。設(shè)變數(shù)Ｓ為記錄型信號量，則wait（Ｓ）操作和signal（Ｓ）操作的流程如下圖所示：76Wati(S)是Wati(S)s=s-1申請到資源本進(jìn)程繼續(xù)本進(jìn)程入阻塞佇列s≥0否轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度圖2-10Wait操作原語流是signal(S)s=s+1喚醒一阻塞態(tài)進(jìn)程s≤0否圖2-11signal操作原語流釋放該類資源本進(jìn)程繼續(xù)77申請臨界資源的原語wait操作可描述為：procedurewait(S)

varS:semaphore;

begin

s:=s-1;

ifs≥0then本進(jìn)程繼續(xù)；else{將本進(jìn)程放入阻塞態(tài)佇列；轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度;}

end

釋放臨界資源的原語signal操作可描述為：

proceduresignal(S)

varS:semaphore;

begin

s:=s+1;

ifs≤0then喚醒指針L所指的阻塞態(tài)進(jìn)程；

end

783．ＡＮＤ型信號量

ＡＮＤ同步機(jī)制的基本思想是：將進(jìn)程在整個(gè)運(yùn)行過程中需要的所有資源，一次性全部地分配給進(jìn)程，待進(jìn)程使用完成後再一起釋放。只要有一個(gè)資源尚未能分配給進(jìn)程，其他所有可能分配的資源，也不能分配給它。也稱為ＡＮＤ同步。AND型信號量集機(jī)制可描述如下：79Swait(S1,S2,…,Sn)

ifSi≥1and…andSn≥1then

fori:=1tondo

Si:=Si-1;

endfor

else

將該進(jìn)程放入阻塞態(tài)佇列；

endif

Ssignal(S1,S2,…,Sn)

fori:=1tondo

Si=Si+1;

喚醒所有因Si不滿足而進(jìn)入阻塞佇列的進(jìn)程；

endfor;804．信號量集

信號量集機(jī)制的基本思想是：在AND型信號量集的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，進(jìn)程對信號量Si的測試值為ti（用於信號量的判斷，即Si>=ti，表示資源數(shù)量低於ti時(shí)，便不予分配），佔(zhàn)用值為di（用於信號量的增減，即Si=Si-d1和Si=Si+d1）Swait(S1,t1,d1;...;Sn,tn,dn);Ssignal(S1,d1;...;Sn,dn);一般“信號量集”的幾種特定情況：（1）Swait(S,d,d)表示每次申請d個(gè)資源，當(dāng)少於d個(gè)時(shí)，便不分配；（2）Swait(S,1,1)表示互斥信號量；（3）Swait(S,1,0)作為一個(gè)可控開關(guān)（當(dāng)S≥1時(shí)，允許多個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)；當(dāng)S=0時(shí)，禁止任何進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)）；（4）“信號量集”未必成對使用Swait和Ssignal。如：一起申請，但可以不一起釋放。812.5進(jìn)程同步問題舉例

2.5.1生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題1．問題的描述

有一批生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品，並將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程去消費(fèi)。為方便生產(chǎn)者進(jìn)程與消費(fèi)者進(jìn)程能併發(fā)執(zhí)行，在兩者之間設(shè)置了一個(gè)具有n個(gè)緩衝區(qū)的緩衝池，生產(chǎn)者進(jìn)程將它所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個(gè)緩衝區(qū)中；消費(fèi)者進(jìn)程可從一個(gè)緩衝區(qū)中取走產(chǎn)品去消費(fèi)。82012……i………n-2n-1

假設(shè)初始情況下緩衝池為空，即counter＝０。為在生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題中實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程的同步，可設(shè)下列信號量：（假設(shè)初始情況下沒有進(jìn)程使用緩衝池，且緩衝池中各緩衝區(qū)都是空的。）mutex：互斥使用緩衝池信號量，由於初始情況下無進(jìn)程使用緩衝池，故初值mutex=１；empty：使用緩衝池中空緩衝區(qū)的信號量，由於初始情況下所有緩衝區(qū)為空，故初值empty=n；full：使用緩衝池中滿緩衝區(qū)的信號量，由於初始情況下沒有緩衝區(qū)存放產(chǎn)品，故初值full＝０。

設(shè)開始時(shí)生產(chǎn)者進(jìn)程存放產(chǎn)品和消費(fèi)者進(jìn)程取產(chǎn)品時(shí)，都從第０號緩衝區(qū)開始，並設(shè)這些生產(chǎn)者和消費(fèi)者地位相當(dāng)，只要緩衝池未滿，生產(chǎn)者便可將消息送入緩衝池；只要緩衝池未空，消費(fèi)者便可從緩衝池中取走一個(gè)消息。83inout圖2-12生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題中的緩衝池演算法及程式Var

mutex,empty,full:semaphore∶=1,n,0;／＊定義信號量並賦初值＊／

buffer:array［0,…,n-1］ofitem;

in,out:integer∶=0,0;／＊定義存取指針的初始位置＊／

begin

parbegin

生產(chǎn)者進(jìn)程proceduer：begin

repeat

…

生產(chǎn)一件產(chǎn)品;

…

wait(empty);

wait(mutex);

將產(chǎn)品放入下一個(gè)緩衝區(qū);

in∶=(in+1)modn;

signal(mutex);

signal(full);

untilfalse;

end

84消費(fèi)者進(jìn)程consumer：begin

repeat

wait(full);

wait(mutex);

從下一個(gè)緩衝區(qū)中取走一件產(chǎn)品;

out∶=(out+1)modn;

signal(mutex);

signal(empty);

消費(fèi)這件產(chǎn)品;

untilfalse;

end

parend

end854．在生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題中應(yīng)注意：

（１）在每個(gè)程式中用於實(shí)現(xiàn)互斥的wait(mutex)和signal(mutex)必須成對地出現(xiàn)。（２）對資源信號量empty和full的wait和signal操作，同樣需要成對地出現(xiàn)，但它們分別處於不同的進(jìn)程中，這樣保證生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程的同步及交替執(zhí)行。（３）在每個(gè)進(jìn)程中，多個(gè)wait操作順序不能顛倒，而signal操作的次序是無關(guān)緊要的。862.5.2讀者—寫者問題

1．問題的提出一檔Ｆ可以被多個(gè)併發(fā)進(jìn)程共用，將這些訪問該檔的進(jìn)程按訪問方式分為兩類：一類只能讀共用對象的內(nèi)容，把這類進(jìn)程稱為讀進(jìn)程或讀者；另一類進(jìn)程則要更新（寫）共用對象檔F，將這些進(jìn)程稱為寫進(jìn)程或?qū)懻?。試用Wait、Signal操作解決各進(jìn)程間的同步問題。2．問題的分析顯然，多個(gè)讀者同時(shí)讀一個(gè)共用對象是可以的，然而一個(gè)寫者不能與其它任何讀者或?qū)懻咄瑫r(shí)共用該檔。亦即：在使用共用檔時(shí)，一個(gè)寫進(jìn)程與其它所有進(jìn)程都是互斥的。但多個(gè)讀進(jìn)程之間不存在互斥的現(xiàn)象。如圖2-13所示。87共用檔F寫進(jìn)程W讀進(jìn)程R1讀進(jìn)程Rn…圖2-13

讀者—寫者問題

設(shè)讀進(jìn)程為reader，寫進(jìn)程為writer。為實(shí)現(xiàn)reader與writer進(jìn)程間的同步與互斥，設(shè)如下變數(shù)及信號量：

wmutex：互斥使用該共用檔信號量。如：寫進(jìn)程write與讀進(jìn)程reader在使用檔時(shí)是互斥的；共用檔只有一個(gè)，設(shè)初始情況未被使用，則初值為1。

readcount：整型變數(shù)，表示正在讀的進(jìn)程個(gè)數(shù)。初值為0。該變數(shù)屬臨界資源。

rmutex：計(jì)數(shù)器readcount的信號量。因?yàn)閞eadcount是一個(gè)可被多個(gè)reader進(jìn)程訪問的臨界資源，為此設(shè)一信號量。設(shè)初始狀態(tài)下無進(jìn)程讀和寫，故rmutex的初值設(shè)為1。88

由於多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)讀，因此只要有一個(gè)reader進(jìn)程在讀，其他reader進(jìn)程便不必申請?jiān)摴灿脵n，直接讀即可；若無檔在讀，則第一個(gè)讀檔的進(jìn)程必須做申請?jiān)摍n的操作。只要有read進(jìn)程在執(zhí)行，則不允許writer進(jìn)程去寫。因此，僅當(dāng)readcount=0,即無reader進(jìn)程在讀時(shí)，reader進(jìn)程才需要執(zhí)行wait(wmutex)操作。若wait(wmutex)操作成功，reader進(jìn)程便可去讀，相應(yīng)地，做readcount+1操作。同理，僅當(dāng)reader進(jìn)程在執(zhí)行了readcount減1操作後其值為0時(shí)，才須執(zhí)行signal(wmutex)操作，以便讓writer進(jìn)程寫。893．演算法及程式

讀者—寫者問題可描述如下：Var:rmutex,wmutex:semaphore:=1,1;

Readcount:integer:=0;

begin

parbegin

讀者進(jìn)程：Reader:begin

repeat

wait(rmutex);

ifreadcount=0thenwait(wmutex);

readcount:=Readcount+1;

signal(rmutex);

90

…

進(jìn)行讀操作;

…

wait(rmutex);

readcount:=readcount-1;

ifreadcount=0thensignal(wmutex);

signal(rmutex);

untilfalse;

end

寫者進(jìn)程：writer:begin

repeat

wait(wmutex);

執(zhí)行寫操作;

signal(wmutex);

untilfalse;

end

parend

end914．注意事項(xiàng)及提示（1）對於寫進(jìn)程，共用檔是臨界資源；而對於讀進(jìn)程，該檔不是臨界資源。（2）整型變數(shù)readcount是臨界資源，所以在使用前後要進(jìn)行Wait、Signal操作。

922.5.3哲學(xué)家進(jìn)餐問題1．問題的提出

設(shè)有5個(gè)哲學(xué)家圍坐在一張圓桌前吃飯。桌上有5只筷子，在每人之間放一只。哲學(xué)家要吃飯時(shí)，只有分別從左、右兩邊都拿到筷子時(shí)，才能吃飯。如果筷子已在他人手上，則該哲學(xué)家必須等待到他人吃完後才能拿到筷子；任何一個(gè)哲學(xué)家在自己未拿到兩只筷子吃飯之前，決不放下自己手裏的筷子。試描述5位哲學(xué)家吃飯的進(jìn)程。93圖2-14

哲學(xué)家就餐餐問題942．問題分析

放在桌子上的筷子是臨界資源，在一段時(shí)間內(nèi)只允許一位哲學(xué)家使用。為了實(shí)現(xiàn)對筷子的互斥使用，可以為每一只筷子設(shè)置一個(gè)信號量，由這五個(gè)信號量構(gòu)成信號量數(shù)組：Varchopstick:array［0,…,4］ofsemaphore;

設(shè)初始條件下，所有哲學(xué)家都未吃，故所有信號量均被初始化為1。3．實(shí)現(xiàn)方法

假設(shè)每一位哲學(xué)家拿筷子的方法都是：先拿起左邊的筷子，再拿起右邊的筷子，則第i位哲學(xué)家的活動(dòng)可描述為：95Pi()beginVarchopstick:array［0,…,4］ofmaphore=[1,1,1,1,1];

repeat

wait(chopstick［i］);

wait(chopstick［(i+1)mod5］); eat;

…

signal(chopstick［i］);

signal(chopstick［(i+1)mod5］);

think;

untilfalse;end96

以上演算法存在一個(gè)問題：假設(shè)5個(gè)哲學(xué)家同時(shí)拿起左邊的筷子，那麼再去拿右邊的筷子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生死鎖。下麵給出幾種解決方法。（1）至多只允許有四位哲學(xué)家同時(shí)去拿左邊的筷子，最終能保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐，並在用畢時(shí)能釋放出他用過的兩只筷子，從而使更多的哲學(xué)家能夠進(jìn)餐。（2）僅當(dāng)哲學(xué)家的左、右兩只筷子均可用時(shí)，才允許他拿起筷子進(jìn)餐。（3）規(guī)定奇數(shù)號哲學(xué)家先拿他左邊的筷子，然後再去拿右邊的筷子；而偶數(shù)號哲學(xué)家則相反。最後總會(huì)有一位哲學(xué)家能獲得兩只筷子而進(jìn)餐。具體程式段參看實(shí)訓(xùn)教材。974．不產(chǎn)生死鎖的哲學(xué)家就餐問題演算法

2.6進(jìn)程通信

進(jìn)程間的資訊交換稱為進(jìn)程通信。通常，進(jìn)程間的通信分為兩種：控制資訊的傳送與大量資訊的傳送。將進(jìn)程間控制資訊的交換稱為低級通信，而把進(jìn)程之間大批量數(shù)據(jù)的交換稱為高級通信。進(jìn)程的互斥與同步為低級通信方式，相應(yīng)地，也稱wait、signal操作為低級的通信原語。僅通過P、V操作或鎖的方法是無法實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的高級通信的。高級通信方式可分為三大類：共用記憶體系統(tǒng)、消息傳遞系統(tǒng)和管道通信系統(tǒng)。982.6.1共用記憶體系統(tǒng)1．共用記憶體系統(tǒng)的類型（1）基於共用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的通信方式在這種通信方式中，要使各進(jìn)程共用某些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，藉以實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程間的資訊交換。如在生產(chǎn)者—消費(fèi)者問題中，就是用有界緩衝區(qū)這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)通信的。這種通信方式是低效的，只適用於傳遞相對少量的數(shù)據(jù)。（2）基於共用存儲(chǔ)區(qū)的通信方式。在記憶體中劃出了一塊共用存儲(chǔ)區(qū)，各進(jìn)程可通過對共用存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)的讀或?qū)憗韺?shí)現(xiàn)通信。992．Linux共用存儲(chǔ)區(qū)通信的實(shí)現(xiàn)（1）共用存儲(chǔ)區(qū)的建立利用系統(tǒng)調(diào)用shmget()建立一塊共用存儲(chǔ)區(qū)。該系統(tǒng)調(diào)用將返回該共用存儲(chǔ)區(qū)的描述符shmid；若尚未建立，便為進(jìn)程建立一個(gè)指定大小的共用存儲(chǔ)區(qū)。（2）共用存儲(chǔ)區(qū)的操縱可以用shmctl()系統(tǒng)調(diào)用對共用存儲(chǔ)區(qū)的狀態(tài)資訊進(jìn)行查詢，如其長度、所連接的進(jìn)程數(shù)、創(chuàng)建者識別字等；也可設(shè)置或修改其屬性，如共用存儲(chǔ)區(qū)的許可權(quán)、當(dāng)前連接的進(jìn)程計(jì)數(shù)等；還可用來對共用存儲(chǔ)區(qū)加鎖或解鎖，以及修改共用存儲(chǔ)區(qū)識別字等。3.共用存儲(chǔ)區(qū)的附接與斷開

在進(jìn)程已經(jīng)建立了共用存儲(chǔ)區(qū)或已獲得了其描述符後，還須利用系統(tǒng)調(diào)用shmat()將該共用存儲(chǔ)區(qū)附接到用戶給定的某個(gè)進(jìn)程的虛地址shmaddr上，並指定該存儲(chǔ)區(qū)的訪問屬性，即指明該區(qū)是只讀，還是可讀可寫。此後，此共用存儲(chǔ)區(qū)便成為該進(jìn)程虛地址空間的一部分。進(jìn)程可採取與對其他虛地址空間一樣的存取方法來訪問。當(dāng)進(jìn)程不再需要該共用存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，再利用系統(tǒng)調(diào)用shmdt()把該區(qū)與進(jìn)程斷開。4．幾個(gè)相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用共用存儲(chǔ)區(qū)通信中常用的系統(tǒng)調(diào)用：（1）shmget(key,size,flag)：功能：獲得一個(gè)共用存儲(chǔ)區(qū)，若成功，其返回值為該共用存儲(chǔ)區(qū)的描述符。（2）shmat(id,addr,flag)從邏輯上將一個(gè)共用存儲(chǔ)區(qū)附接到進(jìn)程的虛擬地址空間上。（3）shmdt(addr)：把一個(gè)共用存儲(chǔ)區(qū)從指定進(jìn)程的虛地址空間斷開。（4）shmctl(id,cmd,buf)對與共享存儲(chǔ)區(qū)關(guān)聯(lián)的各種參數(shù)進(jìn)行操作，從而對共用存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行控制。1022.6.2消息傳遞系統(tǒng)

在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，是以格式化的消息（message）為單位的。程式員直接利用系統(tǒng)提供的一組通信命令進(jìn)行通信。因?qū)崿F(xiàn)方式的不同分為直接通信方式和間接通信方式。間接通信方式又稱為信箱通信方式。信箱是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，邏輯上可分為兩部分：信箱頭和信箱體。信箱頭包含箱體的結(jié)構(gòu)資訊，信箱體由多個(gè)格子構(gòu)成。信箱通信一般是進(jìn)程之間的雙向通信。1031．直接通信方式

這種通信是固定在一對進(jìn)程之間。用來發(fā)送和接收消息。兩條原語的形式如下：send(B,message);發(fā)送一個(gè)消息給接收進(jìn)程B；receive(A,message);接收進(jìn)程A發(fā)來的消息；通常情況下，接收進(jìn)程可與多個(gè)發(fā)送進(jìn)程通信，因此，它不可能事先指定發(fā)送進(jìn)程。對於這樣的應(yīng)用，在接收進(jìn)程接收消息的原語中的源進(jìn)程參數(shù)，是完成通信後的返回值，接收原語可表示為：receive(id,message);其中，id為接收消息進(jìn)程的識別字。2．間接通信方式

間接通信方式又稱為信箱通信方式。信箱是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，邏輯上可分為兩部分：信箱頭和信箱體。信箱頭包含箱體的結(jié)構(gòu)資訊，信箱體由多個(gè)格子構(gòu)成，它實(shí)際上就是一個(gè)有界緩衝池。信箱通信一般是進(jìn)程之間的雙向通信。如圖2-15所示。

信箱體sendreceivereceivesend進(jìn)程B信箱頭圖2-15進(jìn)程的信箱通信方式進(jìn)程A3．消息緩衝佇列通信機(jī)制

（1）消息緩衝佇列通信機(jī)制中所用的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是消息緩衝區(qū)。在設(shè)置消息緩衝佇列時(shí)，還應(yīng)添加用於對消息佇列進(jìn)行操作和實(shí)現(xiàn)同步的信號量，並將它們存入進(jìn)程的PCB中。

當(dāng)一個(gè)發(fā)送進(jìn)程要發(fā)送消息時(shí)，便形成一個(gè)消息，併發(fā)送給指定的接收進(jìn)程。接收進(jìn)程將所有的消息緩衝區(qū)鏈成一個(gè)佇列，其佇列首由接收進(jìn)程PCB中的佇列隊(duì)首指針mq來指出。

（2）發(fā)送原語（3）接收原語接收進(jìn)程調(diào)用接收原語，從自己的消息緩衝佇列中，選取第一個(gè)消息緩衝區(qū)，並將其中的數(shù)據(jù)複製到指定的消息接收區(qū)內(nèi)。

發(fā)送進(jìn)程在發(fā)送消息之前，應(yīng)先在自己的記憶體空間設(shè)置一發(fā)送區(qū)，然後調(diào)用發(fā)送原語，把消息發(fā)送給接收進(jìn)程。4．Linux系統(tǒng)關(guān)於消息傳遞的相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

（1）msgget(key,flag):功能：獲得一個(gè)消息的描述符，該描述符指定一個(gè)消息佇列以便用於其他系統(tǒng)調(diào)用。（2）msgsnd(id,msgp,size，flag);功能：發(fā)送一消息。（3）msgrcv(id,msgp,size,type,flag)功能：接受一消息。（4）msgctl(id,cmd,buf)：功能：查詢一個(gè)消息描述符的狀態(tài),設(shè)置它的狀態(tài)及刪除一個(gè)消息描述符。

2.6.3管道通信系統(tǒng)

所謂管道，是指用於連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程，以實(shí)現(xiàn)他們之間通信的一個(gè)共用檔，又名pipe檔。為了協(xié)調(diào)雙方的通信，管道機(jī)制必須提供以下三方面的協(xié)調(diào)能力：（1）互斥，即當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在對pipe執(zhí)行讀/寫操作時(shí)，其他(另一)進(jìn)程必須等待。（2）同步，指當(dāng)讀寫進(jìn)程使用pipe時(shí)，需要同步使用。（3）確定對方是否存在，只有確定了對方已存在時(shí)，才能進(jìn)行通信。1092.6.4信號通信機(jī)制

1．信號的基本概念每個(gè)信號都對應(yīng)一個(gè)正整數(shù)常量，即信號編號。信號機(jī)制具有以下三方面的功能：（1）發(fā)送信號。發(fā)送信號的程式用系統(tǒng)調(diào)用kill()實(shí)現(xiàn)；（2）預(yù)置對信號的處理方式。接收信號的程式用signal()來實(shí)現(xiàn)預(yù)置處理方式；（3）收受信號的進(jìn)程按事先的規(guī)定完成對相應(yīng)事件的處理。

1102．信號的發(fā)送

信號的發(fā)送，是指由發(fā)送進(jìn)程把信號送到指定進(jìn)程的信號域的某一位上。進(jìn)程用kill()向一個(gè)進(jìn)程或一組進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號。3．信號的處理

對軟中斷信號的處理分三種情況進(jìn)行：（1）如果進(jìn)程收到的軟中斷是一個(gè)已決定要忽略的信號（function=1），進(jìn)程不做任何處理便立即返回；（2）進(jìn)程收到軟中斷後便退出（function=0）；（3）執(zhí)行用戶設(shè)置的軟中斷處理程式。4．相關(guān)的Linux系統(tǒng)調(diào)用（1）kill()功能：向一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送一個(gè)軟中斷信號。（2）signal()功能：預(yù)置對信號的處理方式，允許調(diào)用進(jìn)程控制軟中斷信號。1122.7線程

線程是比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。2.7.1線程的基本概念線程（thead）是進(jìn)程中執(zhí)行運(yùn)算的最小單位，亦即執(zhí)行處理機(jī)調(diào)度的基本單位。在引入線程的操作系統(tǒng)中，可以在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)部進(jìn)行線程切換，現(xiàn)場保護(hù)工作量小。線程與進(jìn)程的比較：（1）進(jìn)程是資源分配的基本單位。同一進(jìn)程的所有線程共用該進(jìn)程的所有資源。（2）線程是分配處理機(jī)的基本單位，它與資源分配無關(guān)。（3）一個(gè)線程只能屬於一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，但至少有一個(gè)線程。（4）線程在執(zhí)行過程中，需要協(xié)作同步。1132.7.2線程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換操作

線程有3種基本狀態(tài)，即執(zhí)行、阻塞和就緒。針對線程的3種基本狀態(tài)，存在5種基本操作來轉(zhuǎn)換線程的狀態(tài)。它們是：1．派生（spawn）2．調(diào)度（schedule）3．阻塞（Block）4．啟動(dòng)（unblock）5．結(jié)束（Finish）1142.7.3引入線程的好處

引入線程的好處有以下幾點(diǎn)：1．易於調(diào)度。2．提高了系統(tǒng)的效率。3．創(chuàng)建一個(gè)線程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程花費(fèi)的開銷少，創(chuàng)建速度快。4．有利於發(fā)揮多處理器的功能，提高進(jìn)程的並行性。1152.7.4多線程的實(shí)現(xiàn)

多線程機(jī)制是指操作系統(tǒng)支持在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行多個(gè)線程的能力。多種系統(tǒng)支持多線程實(shí)現(xiàn)的方式並不完全相同。1．用戶級線程用戶級線程是由用戶應(yīng)用程式建立的，並由用戶應(yīng)用程式負(fù)責(zé)對這些線程進(jìn)行調(diào)度和管理，操作系統(tǒng)內(nèi)核並不知道有用戶級線程的存在，只對進(jìn)程進(jìn)行管理。2．內(nèi)核級線程內(nèi)核級線程簡稱為KLT，通常也稱為“純KLT”方法。內(nèi)核級線程中所有線程的創(chuàng)建、調(diào)度和管理全部由操作系統(tǒng)內(nèi)核負(fù)責(zé)完成。

3．用戶級線程與核心態(tài)線程相結(jié)合的模式由於用戶級線程和內(nèi)核級線程各有其特色，因此，如果將兩種方法結(jié)合起來，則可吸取兩者的優(yōu)點(diǎn)。將兩種方法結(jié)合起來的系統(tǒng)稱為多線程的操作系統(tǒng)。內(nèi)核支持多線程的建立、調(diào)度和管理。同時(shí)系統(tǒng)中又提供使用線程庫，允許用戶應(yīng)用程式建立、調(diào)度和管理用戶級線程。本章小結(jié)

進(jìn)程是操作系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的概念。進(jìn)程是程式的一次執(zhí)行，同時(shí)它也是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的單位。進(jìn)程具有一些特徵，是與程式有根本區(qū)別的概念。進(jìn)程具有動(dòng)態(tài)性、併發(fā)性、非同步性、獨(dú)立性的特性。反映進(jìn)程動(dòng)態(tài)性的是進(jìn)程狀態(tài)的變化。進(jìn)程從創(chuàng)建到被撤銷，要經(jīng)過一些具有生命狀態(tài)的活動(dòng)。進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)包括阻塞、就緒、執(zhí)行，除此之外，不同的操作系統(tǒng)還具有其他一些狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換由相應(yīng)的原語來完成。進(jìn)程的併發(fā)執(zhí)行是指，在同一時(shí)間間隔內(nèi)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)發(fā)生。進(jìn)程的併發(fā)特性反映在進(jìn)程對資源的競爭以及由資源競爭所引起的對進(jìn)程執(zhí)行速度的制約。我們可以通過提高進(jìn)程的併發(fā)性，來提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。118進(jìn)程上下文由以下部分組成：進(jìn)程控制塊、正文段、數(shù)據(jù)段以及各種寄存器和堆疊中的值。進(jìn)程控制塊PCB是進(jìn)程存在的惟一標(biāo)誌，它包含進(jìn)程的運(yùn)行資訊和程式的控制資訊。進(jìn)程控制塊在內(nèi)存中的組織方式有：線性方式、鏈接方式和索引方式。對於Linux系統(tǒng)，我們可以通過幾個(gè)常用的進(jìn)程創(chuàng)建和控制的系統(tǒng)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)程的控制。119不能被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用的資源稱為臨界資源。將每個(gè)進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼稱為臨界區(qū)。多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)進(jìn)入同一個(gè)臨界區(qū)，叫做進(jìn)程之間的互斥；多個(gè)進(jìn)程在使用臨界資源時(shí)，表現(xiàn)出來的相互協(xié)調(diào)、相互合作、互相等待，使得各進(jìn)程按一定的速度執(zhí)行的過程稱為進(jìn)程間的同步。具有同步關(guān)係的一組併發(fā)進(jìn)程稱為合作進(jìn)程。實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的互斥和同步，可以用鎖或P、V操作來實(shí)現(xiàn)。P操作是申請臨界資源的原語操作，也稱為wait操作；V操作是釋放臨界資源的原語操作，也稱為signal操作。信號量是P、V操作的對象。1203.1分級調(diào)度

一個(gè)批處理型作業(yè)，從進(jìn)入系統(tǒng)並駐留在外存的後備佇列上開始，直至作業(yè)運(yùn)行完畢，可能要經(jīng)歷以下三級調(diào)度：即作業(yè)調(diào)度、對換和進(jìn)程調(diào)度。1213.1.1調(diào)度的層次1．作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度又稱為高級調(diào)度或長調(diào)度，用於選擇把外存上處於後備佇列中的哪些作業(yè)調(diào)入記憶體，並為它們創(chuàng)建進(jìn)程、分配必要的資源。然後，再將新創(chuàng)建的進(jìn)程排在就緒佇列上，準(zhǔn)備執(zhí)行。在批處理系統(tǒng)中，需要有作業(yè)調(diào)度的過程，以便將它們分批地裝入記憶體。無須再配置作業(yè)調(diào)度機(jī)制。在分時(shí)系統(tǒng)和即時(shí)系統(tǒng)中，通常也不需要作業(yè)調(diào)度。122

一個(gè)作業(yè)從提交給電腦系統(tǒng)到執(zhí)行結(jié)束退出系統(tǒng)，一般都要經(jīng)歷提交、後備、執(zhí)行和完成等4個(gè)狀態(tài)。提交狀態(tài)：一個(gè)作業(yè)在其處於從輸入設(shè)備進(jìn)入外部存儲(chǔ)設(shè)備的過程稱為提交狀態(tài)。後備狀態(tài)：也稱為收容狀態(tài)。若一個(gè)作業(yè)的全部資訊已全部被輸入進(jìn)輸入井，則在它還未被調(diào)度去執(zhí)行之前，該作業(yè)處於後備狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)：作業(yè)調(diào)度程式從後備作業(yè)中選取若干個(gè)作業(yè)到記憶體投入運(yùn)行。它為被選中作業(yè)建立進(jìn)程並分配必要的資源，這時(shí)，這些被選中的作業(yè)處於執(zhí)行狀態(tài)。完成狀態(tài)：當(dāng)作業(yè)運(yùn)行完畢，但它所佔(zhàn)用的資源尚未全部被系統(tǒng)回收時(shí)，該作業(yè)處於完成狀態(tài)。1232．對換

又稱交換調(diào)度或中級調(diào)度。其主要任務(wù)是按照給定的原則和策略，將處於外存交換區(qū)中的就緒狀態(tài)或等待狀態(tài)的進(jìn)程調(diào)入記憶體，或把處於記憶體就緒狀態(tài)或記憶體等待狀態(tài)的進(jìn)程交換到外存交換區(qū)。

1243．進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度又稱為低級調(diào)度或微觀調(diào)度。其主要任務(wù)是按照某種策略和演算法，將處理機(jī)分配給一個(gè)處於就緒狀態(tài)的進(jìn)程。進(jìn)程調(diào)度可分為下列兩種方式：（1）非搶佔(zhàn)方式：非搶佔(zhàn)方式不允許進(jìn)程搶佔(zhàn)已經(jīng)分配出去的處理機(jī)。

（2）搶佔(zhàn)方式：搶佔(zhàn)調(diào)度方式允許調(diào)度程式根據(jù)某種原則，暫停某個(gè)正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理機(jī)收回，重新分配給另一個(gè)進(jìn)程。

125完成作業(yè)調(diào)度預(yù)輸入輸入井緩輸出圖３-1作業(yè)調(diào)度與進(jìn)程調(diào)度作業(yè)輸出井就緒運(yùn)行等待結(jié)果126

作業(yè)是用戶向電腦提交任務(wù)的任務(wù)實(shí)體。一個(gè)作業(yè)是指在一次應(yīng)用業(yè)務(wù)處理過程中，從輸入開始到輸出結(jié)束，用戶要求電腦所做的有關(guān)該次業(yè)務(wù)處理的全部工作。一個(gè)作業(yè)總是由一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程組成的。作業(yè)分解為進(jìn)程的過程是：系統(tǒng)首先為一個(gè)作業(yè)創(chuàng)建一個(gè)根進(jìn)程。然後，在執(zhí)行作業(yè)控制語句時(shí)，根據(jù)任務(wù)要求，系統(tǒng)或根進(jìn)程為其創(chuàng)建相應(yīng)的子進(jìn)程。最後，進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，為各子進(jìn)程分配資源和調(diào)度各子進(jìn)程執(zhí)行，以完成作業(yè)要求的工作。3.1.2作業(yè)與進(jìn)程的關(guān)係1273.2作業(yè)調(diào)度

作業(yè)調(diào)度主要是完成作業(yè)從後備狀態(tài)到執(zhí)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，以及從執(zhí)行狀態(tài)到完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。1283.2.1作業(yè)調(diào)度的功能1．記錄系統(tǒng)中各作業(yè)的狀態(tài)圖３-２作業(yè)控制塊ＪＣＢ作業(yè)名作業(yè)類型計(jì)算型管理型圖形設(shè)計(jì)型資源要求記憶體量外存量外設(shè)類型及數(shù)量軟體支持工具庫函數(shù)當(dāng)前狀態(tài)提交狀態(tài)後備態(tài)運(yùn)行態(tài)完成資源使用情況進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間開始執(zhí)行時(shí)間已運(yùn)行時(shí)間記憶體地址外設(shè)臺(tái)數(shù)作業(yè)的優(yōu)先順序1292．從後備佇列中挑選出一部分作業(yè)投入執(zhí)行。作業(yè)調(diào)度程式根據(jù)選定的調(diào)度演算法，從後備作業(yè)佇列中挑選出若干作業(yè)去投入執(zhí)行。

3．為被選中作業(yè)做好執(zhí)行前的準(zhǔn)備工作。作業(yè)調(diào)度程式為選中的作業(yè)建立相應(yīng)的進(jìn)程，並為這些進(jìn)程分配它們所需要的系統(tǒng)資源，如分配給它們記憶體、外存、外設(shè)等。

4．在作業(yè)執(zhí)行結(jié)束時(shí)做好善後處理工作。包括輸出作業(yè)管理資訊；回收該作業(yè)所佔(zhàn)用的資源；撤銷與該作業(yè)有關(guān)的全部進(jìn)程和該作業(yè)的作業(yè)控制塊等等。作業(yè)從後備狀態(tài)到執(zhí)行狀態(tài)以及從執(zhí)行狀態(tài)到完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程如圖３-3所示。

130按調(diào)度演算法，從後備作業(yè)中選出一作業(yè)調(diào)用存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理程式，審核資源要求分配資源調(diào)用進(jìn)程管理程式建立進(jìn)程進(jìn)程調(diào)度放棄該作業(yè)調(diào)用存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理回收分配給該作業(yè)的全部資源調(diào)用會(huì)計(jì)程式，計(jì)算該作業(yè)的執(zhí)行費(fèi)用撤銷該作業(yè)的所有進(jìn)程及作業(yè)的JCB調(diào)度下一個(gè)作業(yè)後備作業(yè)佇列空資源要求能滿足？是

出口否否圖3-3(a)作業(yè)從後備狀態(tài)到執(zhí)行狀態(tài)(b)作業(yè)從執(zhí)行狀態(tài)到完成狀態(tài)是1313.2.2調(diào)度演算法的評價(jià)及準(zhǔn)則1．面向用戶的準(zhǔn)則2．面向系統(tǒng)的準(zhǔn)則1321．面向用戶的準(zhǔn)則（1）周轉(zhuǎn)時(shí)間短周轉(zhuǎn)時(shí)間：是指作業(yè)被提交給系統(tǒng)開始，到作業(yè)終止為止的這段時(shí)間間隔，也稱為作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間。它包括四部分時(shí)間：a．作業(yè)在外存後備佇列上等待調(diào)度的時(shí)間。b．進(jìn)程在就緒佇列上等待進(jìn)程調(diào)度的時(shí)間。c．進(jìn)程佔(zhàn)用CPU執(zhí)行的時(shí)間。d．進(jìn)程等待I/O操作完成的時(shí)間。133作業(yè)i的周轉(zhuǎn)時(shí)間Ti可定義為：

Ti=Tei—Tsi其中，Tei為作業(yè)i的完成時(shí)間，Tsi為作業(yè)i的提交時(shí)間。平均周轉(zhuǎn)時(shí)間為：T=]作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間T與系統(tǒng)為它提供服務(wù)的時(shí)間（即作業(yè)要求運(yùn)行時(shí)間）Ts之比，稱為帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間，即：134帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間W＝Ｔ／Ts因?yàn)橹苻D(zhuǎn)時(shí)間T=等待時(shí)間+運(yùn)行時(shí)間Ts，因此，W也可表示為：W＝1+等待時(shí)間／運(yùn)行時(shí)間從公式可以看出，W≤1，即W的最小值為1?？梢钥闯觯瑤?quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間越接近1，則該作業(yè)相對等待時(shí)間越短，系統(tǒng)性能越高。而平均帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間可表示為：W=

135（２）回應(yīng)時(shí)間快

所謂回應(yīng)時(shí)間，是指從用戶提交一個(gè)作業(yè)請求開始，直至系統(tǒng)首次產(chǎn)生回應(yīng)為止的時(shí)間。它包括三部分時(shí)間：從鍵盤輸入的請求資訊傳送到處理機(jī)的時(shí)間。處理機(jī)執(zhí)行回應(yīng)處理的時(shí)間。將所形成的回應(yīng)資訊在終端顯示器上顯示出來的時(shí)間。（３）截止時(shí)間的保證。所謂截止時(shí)間，是指某任務(wù)必須開始執(zhí)行的最晚時(shí)間，或必須完成的最晚時(shí)間。

（４）優(yōu)先權(quán)準(zhǔn)則。調(diào)度程式根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)確定先選中哪個(gè)作業(yè)。1362．面向系統(tǒng)的準(zhǔn)則