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进程和线程基本知识,操作系统课程组,-2-,内容安排,进程的基本概念 进程调度 进程间的相互作用 线程的基本概念,-3-,进程的基本概念,定义 进程是程序的一次执行，该进程可与其它进程并发执行；它是一个动态的实体，在传统的操作系统设计中，进程既是资源的基本分配单元，也是基本的执行单元。 进程与程序的区别和联系 程序是静态的，进程是动态的。程序是有序代码的集合；进程是程序的一次执行。 进程是暂时的，程序的永久的。进程是一个变化的过程，有生命周期，暂时存在，程序没有生命周期，可长久保存。 进程还是操作系统资源分配和保护的基本单位，程序没有此功能。 进程与程序的对应关系。通过多次执行，一个程序可对应多个进程；通过调用关系，一个进程可包括多个程序。 进程与程序的结构不同。,-4-,进程的基本概念,进程的组成,-5-,进程的基本概念,进程/线程的执行,运行 Running,进程占有处理机，处理机正在执行该进程的程序。,进程已获得除处理机外的所需资源，等待分配处理机执行。,也叫等待、挂起、睡眠态，此时进程因等待某种条件（如I/O操作或进程同步）无法运行。引起进程阻塞的原因很多，系统将根据不同的阻塞原因将进程插入某个相应的阻塞队列中。,-6-,进程的基本概念,运行,就绪,阻塞,被调度,时间片用完，中断,资源释放或事件完成,等待资源 和事件,五种进程状态转换,-7-,进程的基本概念,进程的特征 并发性：执行时间可以重叠； 动态性：有生命周期，存在不同的状态； 独立性：独立执行，是资源分配和调度的独立单位； 制约性：虽然独立执行，但可能存在相互制约关系； 异步性：各进程执行时间相对独立，不确定； 结构性：拥有固定结构。,-8-,进程调度,定义 就是按照一定的算法，从就绪队列中选择某个进程占用CPU的方法对CPU资源进行合理的分配使用，以提高处理机利用率，并使各进程公平得到处理机资源。 进程调度算法 先来先服务调度算法 (FCFS, First Come First Served),CPU,-9-,进程调度,基于优先数的调度算法(Priority Scheduling Algorithm) 思想：给每一个进程设置一个优先数(优先级)，系统在调度时优先选择具有高优先级的进程占用CPU。具有相同优先数的进程按照FCFS算法执行。 优先数的确定： 运行前：可根据外设的使用情况，运行时间的长短，紧急程度，重要程度等因素确定。 运行中： 静态优先数法：进程创建时就规定好它的优先数，这个数值在进程运行时不变。 动态优先数法：进程的优先数在执行过程中可以根据情况变化而改变。,-10-,进程调度,时间片轮转法 (RR, Round Robin) 特点：专门为分时系统设计。类似于FCFS算法但是增加了抢占及进程间的切换功能。 思想：系统规定一个时间长度(时间片/时间量)作为允许一个进程运行的时间，如果在这段时间该进程没有执行完，则必须让出CPU等待下一次分配的时间片。,-11-,进程调度,多级反馈队列调度算法(Multilevel Feedback Queue Scheduling) 思想：引入多个就绪队列，通过对各队列的区别对待，达到一个综合的调度目标。,-12-,进程间的相互作用,同步 进程之间相互合作、协同工作的关系称为进程的同步。简单说来就是：多个相关进程在执行次序上的协调。进程间的直接制约。 临界资源 也称独占资源，是指在一段时间内只允许一个进程访问的资源。例如打印机，磁带机，也可以是进程共享的数据、变量等。 互斥 定义：当多个进程因为争夺临界资源而互斥执行称为进程的互斥。进程间的间接制约。,-13-,进程间的相互作用,互斥解决方案 关中断法(开关中断指令) 也称为“硬件锁”，是实现互斥最简单的方法。 做法：每个进程在进入临界区后先关中断，屏蔽其它请求，在离开之前再开中断。 锁变量法(测试和设置指令) 做法：设置一个共享(锁)变量W，初值为0。当一个进程想进入其临界区时，它首先测试这把锁。如果锁的值为0，则进程将其置为1并进入临界区。若锁已经为1，则进程等待直到其变成0。于是，0就表示临界区内没有进程，1表示已经有某个进程进入了临界区。 其它方法 Dekker算法：进程被强制轮流进入临界区(不管是否愿意)。 Peterson算法：设置标识指示是否又要求进入临界区。 ,-14-,进程间的相互作用,信号量(Semaphore)和P、V操作 信号量：1965年由荷兰学者Dijkstra提出，它是一种特殊的数据结构。 功能：表示资源的实体。 特殊之处： 每个信号量与一个队列关联； 其值只能通过初始化和P、V操作来访问。 信号量的类型： 公用信号量：用于进程间的互斥，初值通常为1 私有信号量：用于进程间的同步，初值通常为0或n,-15-,进程间的相互作用,P、V操作 (均是原语),P操作：荷兰语“proberen”“检测”之意。 意味着请求分配一个单位资源。,P(S)： /S为信号量 S = S - 1; if (S 0) 调用进程被阻塞， 进入S的等待队列； ,-16-,进程间的相互作用,V操作：荷兰语“verhogen”“增量”之意， 意味着释放一个单位资源。,V(S)： /S为信号量 S = S + 1; if (S = 0) 从S的等待队列中唤醒一个进程 使其进入就绪状态； ,-17-,进程间的相互作用,信号量及P、V操作的应用 进程的互斥,semaphore S; /设置公有信号量 S = 1; /初值, P(S); print file1; V(S); , P(S); print file2; V(S); ,-18-,进程间的相互作用,进程的同步生产者与消费者问题,问题描述：,生产者,缓冲区,消费者, cooking; P(S1); put in dish; V(S2); ,semaphore S1, S2 ; /设置私有信号量 S1=1; /表示盘子是否空 S2=0; /表示盘子里是否有东西, P(S2); take out from dish; V(S1); eating; ,-19-,线程的基本概念,定义 线程(thread)也叫轻型进程，是一个可执行的实体单元。它代替以往的进程，成为现代操作系统中处理机调度的基本单位。 线程和进程的关系,多线程模型,1、线程是进程的一个组成部分，线程由进程创建，因此一个进程中至少存在一个线程，线程还可以创建其它线程。 2、进程是资源分配和保护的基本单位，线程只能在进程的地址空间活动，线程只能使用其所在进程的资源。,-20-,线程的基本概念,线程的结构,PCB,程序,数据,线程的特点： 1、线程作为基本的调度单位，其状态有：就绪、运行、阻塞等； 2、进程中都所有线程共享进程的存储空间和分配资源。,工作区,-21-,线程的基本概念,线程优势 创建和撤消线程的开销非常小。 不需要向系统请求独立的地址空间及进行相关的地址空间复制(例如父子进程)，因此创建和撤销线程系统的开销要远小于进程。 切换迅速。 线程的上下文环境要比进程简单的多，因此线程间的切换远比进程快的多。 通信效率高。 同一进程中的线程由于共享同一地址空间，通信时不需要借助内核功能。 并发度高。 在多处理机系统中，对进程的个数是有所限制的，但对线程的个数理论上不存在限制，更发挥了多处理机系统的优势。,-22-,References,1方敏、王亚平、权义宁、王长山等编著，计算机操作系统，西安电子科技大学出版社，2004.8,