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第三章进程管理 - PowerPoint 演示文稿

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进程管理 PPT课件

进程管理 PPT课件

• 要解决这些问题，用程序的概念已经不能描述
程序在内存中运行的状态，必须引人新的概念 －－进程。
2.1.1前趋图
前 趋 图 (Precedence Graph) 是 一 个 有 向 无 循 环 图 ， 记 为 DAG(Directed Acyclic Graph) ，用于描述进程之间执行的前 后关系。
图中每个结点可用于描述一条语句、一个程序段或进程 结点间的有向边则表示在两结点之间存在的偏序或前趋关系 “→”，→={（ Pi ， Pj ） |Pi must complete before Pj may start } 如果（Pi，Pj）∈→，可写成 Pi→Pj；，称Pi是Pj 的直接前趋，而Pj是Pi的直接后继。 在前趋图中，没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node) ，没有后继的结点称为终止结点(Final Node) 。
parend; Si(i=1,2,3,...,n) 表 示 n 个 语 句 （ 程 序 段），这 n 个语句用 parbegin 和 parend 括起来 表示这n个语句是可以并发执行的。这是 Dijkstra提出的。
2.1.3程序的并发执行及其特征
假设有一个程序由 S0～Sn+1个语句，
其中 S1 ～ Sn 语句是并发 执行的，程序如下： S0;
parbegin S1;S2;S3;...;SN parend; Sn+1;
2.1.3程序的并发执行及其特征
程序并发执行时的特征
1、间断性(执行—暂停—执行)
2、失去了程序的封闭性 3、不可再现性(失去封闭性引起)
例如，有两个循环程序 A和B，它们共享一个变量 N。程序 A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一次时， 都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和B以不 同的速度运行。 可能出现以下三种情形：

第3章进程管理PPT教学课件

第3章进程管理PPT教学课件
可重入程序（纯代码）：执行过程中不变的代 码。
2020/12/12
6
进程的特性
并发性：系统中同时存在着若干进程。 动态性：进程状态不断变化。 独立性：进程是分配资源的独立单位。 交往性：与其它进程交换信息。 异步性：以不可预知的速度向前推进。 结构性：一个进程包括三个部分：程序，
数据，进程控制块。
2020/12/12
9
进程状态及其转换
➢ 进程基本状态
➢ 就绪：拥有了除CPU之外的所有资源。 ➢ 运行：进程在CPU上运行。 ➢ 等待：进程等待某事件发生，如：读磁盘，打印、读
文件等等。
➢ 进程状态之间的转换
➢ 创建一个进程时，进程处于就绪状态。 ➢ 随着拥有（或等待）的资源不同，进程在不同的状态
4、哪些状态的转换是可能的，哪些是不可能 的。如：等待运行（）。
5、一个完整的进程由程序、数据、进程控制
快组成。进程的任何状态变化都在PCB之中
反映出来。
2020/12/12
12
进程队列
处在就绪状态和等待状态的进程不止一个。 （但在任一时刻，处在运行状态的进程最多 只有一个）。
引起进程状态变化的原因也很多。
2020/12/12
7
进程控制块（PCB）
定义：描述进程外部特性的数据结构。
内容：
标识信息：进程标识符；特征；当前状态。
说明信息：拥有资源和等待资源。内存地址、 I/O设备、外存、数据区等。
管理信息：进程优先数；队列指针。
现场信息：记录进程释放处理机时的现场信 息，PSW、通用寄存器等。
作用：PCB是进程存在的唯一标志。进程 的动态、并发特性通过PCB表现出来。
2020/12/12
8

《进程管理》课件

《进程管理》课件

和协作。
进程迁移
02
为了提高系统可靠性和可用性，分布式系统支持进程迁移，确
保关键任务能够持续运行。
负载均衡
03
分布式系统通过负载均衡技术，将任务分配到不同节点上执行
，提高系统整体性能。
THANKS
感谢观看
当系统中存在多个等待资源的进程，且每 个进程都持有至少一个资源并等待获取被 其他进程持有的资源时，就会产生死锁。
通过设置资源分配顺序或限制资源请求量 来避免饥饿。
• 死锁预防
• 死锁避免
通过破坏死锁产生的必要条件来预防死锁 ，例如预先分配资源、设置最大需求量等 。
在分配资源时进行检测和限制，避免产生 死锁，例如银行家算法。
进程的状态及其转换
总结词
阐述进程的三种基本状态及转换关系
详细描述
进程状态分为新建、运行、阻塞和就绪等状态。新建状态是进程被创建时的状态，运行状态是进程获 得CPU并执行的状态，阻塞状态是进程等待某个条件成立而暂时无法执行的状态，就绪状态是进程已 具备运行条件但未获得CPU时的状态。不同状态之间可以相互转换。
进程管理在操作系统中的应用
01
02
03
进程调度
操作系统通过进程调度算 法，合理分配系统资源， 确保进程能够高效地运行 。
进程同步
操作系统提供进程同步机 制，实现多个进程之间的 协同工作，避免资源竞争 和死锁。
进程通信
进程之间通过消息传递、 共享内存等方式进行通信 ，实现数据交换和协同工 作。
多核处理器下的进程管理技术
进程与程序的区别和联系
总结词
比较进是程序的一次执行过程，具有动态特性和独立性。 程序是静态的，而进程是动态的。程序是永存的，进程是暂时的。程序是过程的代码， 而进程是执行这些代码的过程。一个程序可以对应多个进程，但一个进程不能对应多个

《进程管理》PPT幻灯片

《进程管理》PPT幻灯片
⑷处理机状态（CPU现场保护）
• 通用R • PC指令计数器 • 程序状态字PSW • 用户栈指针
26.09.2020
20
CPU现场保护信息（进程上下文）
当处理机被中断时，各种Register的内容都必须保存在被中断进 程的PCB中，以便在改进程重新执行时，能从断点继续执行。
(1)通用R（用户可视寄存器）8-32个(在RISC结构中，可超过10 0）
LIST在一个特殊区域） • 3. 初始化PCB • 4. 将新进程插入就绪队列。
26.09.2020
31
创建原语
Procedure create (n,s0,P0,m0,R0,acc)
begin
i:=get internal name(n);
获得内部名
i.id :=n;
填外部名
i.priority := P0; i.CPUstate:= s0; i.mainstore:= m0; i.resources:= R0; i.status:=readys;
运行队列：单机系统中整个系统一个。
26.09.2020
23
2.1.5进程控制块(2)
• 链接方式 把具有相同状态的PCB，
用其中的链接字，链接 成一个队列。
执行指针
就绪队列指针
多个 阻塞队列指针
空闲队列指针
26.09.2020
PCB1 PCB2 PCB3 PCB4 PCB5 PCB6 PCB7 PCB8 PCB9
思考：① 哪些程序段的执行必须是顺
序的？为什么？
② 哪些程序段的执行是可并行的？为
什么？
6
程序的并发执行(2)
• 二、特征
• 间断性 • 失去封闭性：主要由共享资源引起 • 不可再现性：P37例，设N的初值为n。

《工学进程管理》PPT课件

《工学进程管理》PPT课件

第2章进 程 管 理
4) 进程控制信息
进程控制信息包括：① 程序和数据的地址， 是 指进程的程序和数据所在的内存或外存地(首)址， 以便再调度到该进程执行时，能从PCB中找到其程 序和数据；② 进程同步和通信机制，指实现进程 同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、 信号量等，它们可能全部或部分地放在PCB中； ③ 资源清单，是一张列出了除CPU以外的、进程所需 的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单；④ 链接指针，它给出了本进程(PCB)所在队列中的下 一个进程的PCB的首地址。
创建 就绪
进程调度 时间片用完
因等待的事 件已发生而 被唤醒
撤消 执行
等待某个事件 发生而阻塞
阻塞
第2章进 程 管 理
创建 许可 就绪
I/O完 成
间 时
进
片
程
完
度 调
阻塞
释放
执行
终止
I/O请 求
图2-7 进程的五种基本状态及转换p31-33
第2章进 程 管 理
六、挂起状态
在一般OS中，进程只有以上三种基本 状态。而在一些有特殊要求的OS中， 由于控制的需要，引入“挂起”状态。
第2章进 程 管 理
每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示 该结点所含有的程序量或结点的执行时间。
P2
P5S1P1P3P8P9
P6
S2
P4 S3
P7
(a) 具有九个结点的前趋图
(b) 具有循环的前趋图
图 2-2 前趋图
第2章进 程 管 理
对于图 2-2(a)所示的前趋图， 存在下述前趋 关系：
过程，它是系统进行资源分配和调度的一 个独立单位。
第2章进 程 管 理

计算机三级进程管理PPT课件(73页)

计算机三级进程管理PPT课件(73页)

3 进程和程序的联系与区别：
（1）联系。程序是构成进程的组成部分之一，一个进程的运
行目标是执行它所对应的程序，如果没有程序，进程就失去了 其实际存在的意义。从静态的角度看，进程是由程序、数据和 进程控制块三部分组成的。 （2）区别。程序是静态的，而进程是动态的。进程既是程序 的执行过程，因而进程是有生命期的，有诞生，亦有消亡。因 此，程序的存在是永久的，而进程的存在是暂时的，动态地产 生和消亡。一个进程可以执行一个或几个程序，一个程序亦可 以构成多个进程。例如，一个编译进程在运行时，要执行词法 分析、语法分析、代码生成和优化等几个程序，或者一个编译 程序可以同时生成几个编译进程，为几个用户服务。进程具有 创建其他进程的功能，被创建的进程称为子进程，创建者称为 父进程，从而构成进程家族。
C1
P1
I1
C1
P1
I1
C1
P1
I2
C2
P2
程序顺序执行时的特征
（1）顺序性。处理机的操作严格按照程序规定的顺序执 行，即只有前一操作结束后，才能启动后一操作的执行；
（2）封闭性。程序在封闭的环境下运行，并独占全机， 因此机内资源的状态只有运行程序的操作才能改变它，其 执行结果不受外界因素的影响；
（3）可再现性。只要程序执行时环境和初始条件相同， 程序经多次运行后所得的结果必然相同。
二 前趋图的定义 前趋图是一个有向无环图，记为DAG。如图所示：
2
5
2
5
11
3
3
6
6
4
4
7
7
8
9
8
9
有向无环图
三 程序的并发执行与特征
1 虽然对于一个程序的输入、计算和打印必须顺序执行， 但在对一批程序进行处理时，则可使上述三种操作并发执行， 以提高系统的吞吐量。例如，输入程序在输入第三个程序 （ I3 ） 的 同 时 ， 计 算 程 序 可 以 正 在 对 第 二 个 程 序 进 行 计 算 （C2），而打印程序正在打印第一个程序（Ｐ1）的计算结果。 如下图所示：

操作系统 进程管理PPT课件

操作系统 进程管理PPT课件

第三章 进程的描述与控制
17
PCB的内容
进程描述信息：
进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一） 用户标识符(user ID)；进程组关系
进程控制信息：
当前状态 优先级(priority) 代码执行入口地址 程序的外存地址 运行统计信息（执行时间、页面调度） 进程间同步和通信；阻塞原因
一个具有一定功能的程序关于某个数据集合 的一次运行活动。
进程是一个程序与其数据一道通过处理机的 执行所发生的活动
第三章 进程的描述与控制
7
进程同程序的比较
程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含 义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上 的一次执行过程，它是一个动态的概念。
程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有 一定生命期的。程序是永久的，进程是暂时的。
间断性 失去程序的封闭性 不可再现性
第三章 进程的描述与控制
6
2.1.2 进程的定义
进程的概念是60年代初首先由麻省理工学 院的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360 系统引入的。进程有很多各式各样的定义， 如：
行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上 执行时所发生的活动称为进程（Dijkstra）
第三章 进程的描述与控制
16
2.1.5 进程控制块（Process Control Block）
为了描述一个进程和其它进程以及系统资源 的关系，为了刻画一个进程在各个不同时期 所处的状态，人们采用了一个与进程相联系 的数据块，称为进程控制块（PCB）。
系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB 是系统感知进程存在的唯一标志 进程与PCB是一一对应的

《进程和处理机管理》幻灯片PPT

《进程和处理机管理》幻灯片PPT

1. 算法
我们可以把算法定义为：问题求解步骤 的准确描述。算法具有如下性质：
解题算法是一个有穷动作序列； 动作序列仅有一个初始动作； 序列中每一个动作仅有一个后继动作； 序列终止表示问题解决还是没有得到解
决。
2. 程序
程序是对一个复杂的计算〔问题〕用一种形 式化的语言对其初始数据与操作进展形式化 描述的一个算法。
4. 程序并行执行的特征
程序的并行执行虽然增加了系统的处理能 力和机器的利用率，但也产生了与顺序程 序不同的新特征。
〔1〕失去了程序的封闭性 〔2〕程序并行执行时的相互制约关系
3．1．2 进程的定义
通过上述分析可知，程序在并行执行时已不能 描述不封闭性和“执行-暂停-执行〞活动规律， 需要有一种新的概念工具来描述以下特征：
一步都应在下一步开场之前完成〔不存在并行〕。这 一特点就是我们所说的程序的顺序性。 (2) 环境处在“程序〞的完全控制之下，它决不以任何 方式变化，除非这种变化是程序所采取的步骤导致的 结果。这个特点被称为程序的封闭性。 (3) 除了要求在合理的时间内获得结果外，任一操作所 花费的时间对程序的运行而言是无关紧要的，即使在 任一操作之间有一暂时间歇也没有关系。程序所产生 的结果是其输入数据的函数而与时间无关。只要程序 执行的初始条件一样，其结果是可以再现的 。
3. 程序的并行执行和资源的共享
为了合理地使用系统资源，充分发挥各种资源的 作用，最大限度地提高系统的效率，引进多道程 序设计技术。又由于计算机技术的不断开展而出 现了中断技术、分时处理和各种新型构造，如多 CPU系统的出现，导致现代操作系统出现了许多 诸如并发性、资源共享性等许多新的特征。
〔1〕并行操作 〔2〕资源共享
位。 〔4〕异步特征 进程按照各自独立的，不可预知的速度向前推进，所以要求系统
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3.6.3用P，V原语操作实现同步

解:由题意可知，进程PA调用的过程deposit(data)和进 程PB调用的过程remove(data)必须同步执行，因为过 程deposit(data)的执行结果是过程remove(data)的执 行条件，而当缓冲队列全部装满数据时，remove(data) 的执行结果又是deposit(data)的执行条件，满足同步 定义。从而，我们按以下三步描述过程deposit(data) 和remove(data)： 1)设Bufempty为进程PA的私用信号量，Buffull为进 程PB的私用信号量； 2)令Bufempty的初始值为n(n为缓冲队列的缓冲区个 数)，Buffull的初始值为0， 3）描述：

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信号量和P,V原语

P原语
申请资源的进程如果s<0,进 程自我阻塞，因此进程放弃 了CPU。 图3.12P原语操作功能
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信号量和P,V原语

V原语
释放资源的进程A，如果 有进程B在等待资源，A要 唤醒B进程后再返回原进 程程序执行，如果原进程 程序执行完毕，则把CPU 交给进程调度程序。
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3.7进程通信

进程通信(IPC, Inter-Process Communication)


在进程间传送数据。 操作系统可以被看作是各种进程组成的，例如用户 进程、计算进程、打印进程等。这些进程都具有各 自独立的功能，且大多数被外部需要而启动执行。 一般来说，进程间的通信根据通信的内容可以划分 为两种：
3.6同步的概念

并发进程同时访问公有数据和公有变量引出了 互斥的概念.现在研究进程的合作关系.
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3.6同步的概念
1.进程同步举例:公共汽车中的司机和售票员。
司机
P1
售票员
while (true) { 开门；
P2Leabharlann while (true){
启动车辆； 正常运行； 到站停车； }
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3.6.2私有信号量


一般来说，我们也可以把各进程之间发送的消 息作为信号量看待。与进程互斥时不同的是， 这里的信号量只与制约进程及被制约进程有关 而不是与整组并发进程有关。因此，我们称该 信号量为私用信号量(Private Semaphvre)。一 个进程Pi的私用信号量Semi是从制约进程发送 来的进程Pi的执行条件所需要的消息。 与私用信号量相对应，我们称互斥时使用的信 号量为公用信号量。

主从式(master-servant system)通信系统的主 要特点是:

a．主进程可自由地使用从进程的资源或数据； b．从进程的动作受主进程的控制； c．主进程和从进程的关系是固定的.

主从式通信系统的典型例子是终端控制进程和 终端进程。
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3.7.1 进程的通信方式
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3.6.4生产者－消费者问题

采用信号量机制： full是“满”数目，初值为0，avail是“空” 数目，初值为N。full + avail = N mutex用于访问缓冲区时的互斥，初值是1 每个进程中各个P操作的次序是重要的：先检 查资源数目，再检查是否互斥――否则可能死锁.
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3.6.3 用P，V原语操作实现同步

1. 为各并发进程设置私用信号量 2. 为私用信号量赋初值 3. 利用P、v原语和私用信号量规定各进 程的执行顺序。
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3.6.3 用P，V原语操作实现同步


例:设进程PA和PB通过缓冲区队列传递数据。PA为发 送进程、PB为接收 进程。PA发送数据时调用发送过 程deposit(data)，PB接收数据时调用过程 remove(data)。且数据的发送和接收过程满足如下条 件： 1)在PA至少送一块数据入一个缓冲区之前，PB不可 能从缓冲区中取出数据(假定数据块长等于缓冲区长度)， 2)PA往缓冲队列发送数据时，至少有一个缓冲区是 空的； 3)由PA发送的数据块在缓冲队列中按先进先出(FIFO) 方式排列。
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3.6同步的概念
Pc
Pp
测试缓冲区需 要大量的CPU 时间.
缓冲区Buf
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3.6进程同步

我们把异步环境下的一组并发进程因直接制约而互相 发送消息而进行互相合作、互相等待，使得各进程按 一定的速度执行的过程称为进程间的同步。具有同步 关系的一组并发进程称为合作进程，合作进程间互相 发送的信号称为消息或事件。 如果我们对一个消息或事件赋以唯一的消息名，则 我们可用过程 wait (消息名) 表示进程等待合作进程发来的消息，而用过程 signal (消息名) 表示向合作进程发送消息。

用户进程(使用进程)与磁盘管理进程(服务进程) 之间的通信是会话系统的一个例子.
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3.7.1 进程的通信方式



消息或邮箱机制则无论接收进程是否已准备好 接收消息，发送进程都将把所要发送的消息送 入缓冲区或邮箱。 消息(message)是用来区别于命令(command) 或指令(instruction)等用语的。除了表示所交换 的数据传递大量信息之外，消息还具有两互相 通信的进程地位平等的意思。 消息的一般形式为四个部分组成：

会话方式(dialogue system):通信进程双方可分 别称为使用进程和服务进程。其中，使用进程 调用服务进程提供的服务。它们具有如下特点：



a．使用进程在使用服务进程所提供的服务之前，必 须得到服务进程的许可. b.服务进程根据使用进程的要求提供服务，但对所 提供服务的控制由服务进程自身完成. c.使用进程和服务进程在进行通信时有固定连接关 系.
关门；
售票；
}
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3.6同步的概念
共享缓冲区的进程的同步
例题:设某计算进程Pc和打印进程Pp共用一个 单缓冲区（如右图所示）。其中， Pc进程 负责不断地计算数据并送入缓冲区Buf中， Pp进程负责不断地从缓冲区Buf中取出数据 去打印。
Pc
Pp
缓冲区Buf
分析：Pc.Pp必须遵守以下同步规则： （1）当Pc进程把计算结果送入缓冲区Buf时，Pp进程才能从缓冲区 buffer中取出结果去打印 。 （2）当Pp进程把缓冲区Buf中的数据取出打印后，Pc进程才能把下一个 计算结果送入缓冲区Buf中。
图3.14缓冲区队列
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3.6.3用P，V原语操作实现同步
X的计算值=(x+1) mod n PA进程中的x与PB中的x是 两个独立的变量.
生产
消费
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3.6.3用P，V原语操作实现同步



这里，局部变量x用来指明缓冲区的区号，给 Buf(x)置标志位是为了便于区别和搜索空缓冲区 及非空缓冲区。 (思考：在该题中需要考虑互斥吗?(如果存与放 为两个不同序号的缓冲区,则可以不考虑互斥,但 如果是同一个缓冲区,则要考虑互斥使用.) 如果每次只允许一个进程对缓冲队列进行操作 时怎么办?(需要互斥))
第三章进程管理
课程回顾

进程控制就是系统使用一些具有特定功能的程序段来创建,撤消进程 以及完成进程各状态间的转换,从而达到多进程高效率并发执行和协 调、实现资源共享的目的。主要有创建原语，撤消原语，阻塞原语， 唤醒原语。

临界资源:一次仅允许一个进程使用的资源。


一个进程访问临界资源的那段程序代码称为临界部分(Critical section) 或者称为临界区(Critical region).即访问公用数据的那段程序。 尽管用加锁的方法可以实现进程之间的互斥，但这种方法仍然存在 这一些影响系统可靠性和执行效率的问题。例如，循环测试锁定位 将损耗较多的CPU计算时间。 OS可从进程管理者的角度来处理互斥的问题，信号量就是OS提供的 管理公有资源的有效手段。 在操作系统中，信号量sem是一整数。 在sem>=0时代表可供并发进程使用的资源实体数，但sem<0时则表示 正在等待使用临界区的进程数。
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3.6同步的概念
1.进程同步举例:公共汽车中的司机和售票员。
司机
P1
售票员
while (true) {
wait(到站)
P2
while (true)
{
wait(关门)
启动车辆； 正常运行； 到站停车； signal(到站) }
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开门；
关门；
signal(关门)
remove(data ) Begin local pw=0 p(full) p(mutex) pw=(pw+1) mod n 取缓冲区pw单元数据 v(mutex) v(avail) …… consume the item (消费) …… End
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3.6.4生产者－消费者问题
图3.13V原语操作功能
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用P,V原语实现进程互斥
描述： Pa： P（sem） <S临界区> V(sem):: : : Pb: P(sem) <S临界区> V(sem):: : :
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第3章 进程管理
1．进程概念（0.5学时）. 2．进程描述（0.5学时）. 3. 过程状态及转换（1学时）. 4. 进程控制（1学时）. 5．进程互斥（2学时）. 6．进程同步（ 1.5学时）. 7. 进程通信（1.5学时）. 8．死锁（1学时）. 9．线程（1学时） 作业分析（1学时）.