第二章 進(jìn)程管理

2.1 進(jìn)程的基本概念

在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中，程序并不能獨(dú)立運(yùn)行，作為資源分配和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位都是進(jìn)程。

2.1.1 程序的順序執(zhí)行及其特征

1、程序的順序執(zhí)行

把一個(gè)應(yīng)用程序分成若干個(gè)程序段，在各程序段之間，必須按照某種先后次序順序執(zhí)行，僅當(dāng)前一操作（程序段）執(zhí)行完后，才能執(zhí)行后及操作。

2、程序順序執(zhí)行時(shí)的特征

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，即每一操作必須在上一個(gè)操作結(jié)束之后開始

2）封閉性

程序是在封閉環(huán)境下執(zhí)行的，即程序運(yùn)行時(shí)獨(dú)占全機(jī)資源，資源的狀態(tài)（除初始狀態(tài)外）只有本程序才能改變它。程序一旦執(zhí)行，其執(zhí)行結(jié)果不受外界因素影響。

3）可再現(xiàn)性

只要程序執(zhí)行是的環(huán)境和初始條件相同，當(dāng)程序重復(fù)執(zhí)行時(shí)，不論它是從頭到尾不停頓的執(zhí)行，還是斷續(xù)執(zhí)行，都將獲得相同的結(jié)果

2.1.2 前趨圖

前趨圖（Precedence Graph）是一個(gè)有向無(wú)循環(huán)圖，記為DAG（Directed Acyclic Graph），用于描述進(jìn)程之間之行的前后關(guān)系。如圖：

圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可用于描述一個(gè)程序段或進(jìn)程，乃至一條語(yǔ)句；節(jié)點(diǎn)間的有向邊表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在的偏序關(guān)系（Partial Order）或者前趨關(guān)系（Precedence Relation）“→”。

→={(Pi，Pj)|Pi must complete before Pj may start}，如果(Pi，Pj)∈→，可寫成Pi→Pj，稱Pi是Pj的直接前趨，而稱Pj是Pi的直接后繼。在前趨圖中，把沒有前趨的結(jié)點(diǎn)稱為初始結(jié)點(diǎn)(Initial Node)，把沒有后繼的結(jié)點(diǎn)稱為終止結(jié)點(diǎn)(Final Node)。此外，每個(gè)結(jié)點(diǎn)還具有一個(gè)重量(Weight)，用于表示該結(jié)點(diǎn)所含有的程序量或結(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間。在圖2-1(a)和2-1(b)中分別存在著這樣的前趨關(guān)系:

Ii→Ci→Pi? 和? S1→S2→S3

對(duì)于圖2-2（a） 所示的前趨圖，存在下述前趨關(guān)系：

?????P1→P2，P1→P3，P1→P4，P2→P5，P3→P5，P4→P6，P4→P7，P5→P8，P6→P8，P7→P9，P8→P9

或表示為：

P={P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9}→={(P1，P2)，(P1，P3)，(P1，P4)，(P2，P5)，(P3，P5)，(P4，P6)，(P4，P7)，(P5，P8)，(P6，P8)，(P7，P9)，(P8，P9)}

應(yīng)當(dāng)注意，前趨圖中必須不存在循環(huán)，但在圖2-2（b）中卻有這下述的前趨關(guān)系：

S2→S3，S3→S2

顯然，這種前趨關(guān)系是不可能滿足的。

2.1.3 程序的并發(fā)執(zhí)行及其特征

1、程序的并發(fā)執(zhí)行

輸入程序在輸入第一個(gè)程序后，在計(jì)算程序?qū)υ摮绦蜻M(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，可由輸入程序再輸入第二個(gè)程序，從而使第一個(gè)程序的計(jì)算操作可與第二個(gè)程序的輸入操作并發(fā)執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，輸入程序在輸入第 i+1個(gè)程序時(shí)，計(jì)算程序可能正在對(duì)第 i 個(gè)程序進(jìn)行計(jì)算，而答應(yīng)程序正在打印第 i-1個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果。

2、程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)的特征

1）間斷性

程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)，由于它們共享系統(tǒng)資源，以及為完成同一項(xiàng)任務(wù)而相互合作，致使在這些并發(fā)執(zhí)行的程序之間，形成了相互制約的關(guān)系。相互制約將導(dǎo)致并發(fā)程序具有“執(zhí)行——暫?！獔?zhí)行”這種間斷性的活動(dòng)規(guī)律。

2）失去封閉性

程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)，是多個(gè)程序共享系統(tǒng)中的各種資源。因而這些資源的狀態(tài)將有多個(gè)程序來(lái)改變，致使程序的運(yùn)行失去了封閉性。這樣，某程序在執(zhí)行時(shí)，必然會(huì)受到其他程序的影響。

3）不可再現(xiàn)性

程序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)，失去了封閉性，計(jì)算結(jié)果已與并發(fā)程序的執(zhí)行速度有關(guān)，從而使程序的執(zhí)行失去了可再現(xiàn)性，亦即，程序經(jīng)過(guò)多次執(zhí)行后，雖然它們執(zhí)行時(shí)的環(huán)境和初始條件相同，但得到的結(jié)果卻各不相同。

2.1.4 進(jìn)程的特征與狀態(tài)

1、進(jìn)程的特征和定義

1）結(jié)構(gòu)特征

通常的程序是不能并發(fā)執(zhí)行的。為使程序（含數(shù)據(jù)）能獨(dú)立運(yùn)行，應(yīng)為之配置一進(jìn)程控制塊，即 PCB（Process Control Block）：而由程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段和 PCB 三部分便構(gòu)成了進(jìn)程實(shí)體。在早期的 UNIX 版本中，把這三部分總稱為“進(jìn)程映像”。在許多情況下所說(shuō)的進(jìn)程，實(shí)際上是指進(jìn)程實(shí)體，如，所謂創(chuàng)建進(jìn)程，實(shí)質(zhì)上是創(chuàng)建進(jìn)程實(shí)體中的 PCB；而撤銷進(jìn)程，實(shí)質(zhì)上是撤銷進(jìn)程的 PCB。

2）動(dòng)態(tài)性

進(jìn)程的實(shí)質(zhì)是進(jìn)程實(shí)體的一次執(zhí)行過(guò)程，因此，動(dòng)態(tài)性是進(jìn)程的最基本特征。進(jìn)程實(shí)體有一定的生命期，而程序則只是一組有序指令的集合，并存放區(qū)某種介質(zhì)上，其本身并不具有運(yùn)動(dòng)的含義，因而是靜態(tài)的。

3）并發(fā)性

并發(fā)性是指多個(gè)進(jìn)程實(shí)體同存于內(nèi)存中，且能在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行。并發(fā)性是進(jìn)程的重要特征，同時(shí)也成為 OS 的重要特征。引入進(jìn)程的目的也正是為了使其進(jìn)程實(shí)體能和其它進(jìn)程實(shí)體并發(fā)執(zhí)行；而程序（沒有建立 PCB）是不能進(jìn)行并發(fā)執(zhí)行的。

4）獨(dú)立性

在傳統(tǒng)的 OS 中，獨(dú)立性是指進(jìn)程實(shí)體是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立分配資源和獨(dú)立接受調(diào)度的基本單位。凡未建立 PCB 的程序都不能作為一個(gè)獨(dú)立的單位參與運(yùn)行

5）異步性

這是指進(jìn)程按各自獨(dú)立、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，或說(shuō)進(jìn)程實(shí)體按異步方式運(yùn)行。

①進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行

②進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行時(shí)所發(fā)生的活動(dòng)

③進(jìn)程是程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過(guò)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

在引入了進(jìn)程實(shí)體的概念后，我們可以把傳統(tǒng)的 OS 中的進(jìn)程定義為：“進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過(guò)程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位”。

2、進(jìn)程的三種基本狀態(tài)

1）就緒狀態(tài)

當(dāng)進(jìn)程已分配到除 CPU 以外的所有必要資源后，只要再獲得 CPU，便可立即執(zhí)行，進(jìn)程這時(shí)的狀態(tài)稱為就緒狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程可能有多個(gè)，通常將它們排成一個(gè)隊(duì)列，稱為就緒隊(duì)列。

2）執(zhí)行狀態(tài)

進(jìn)程已獲得 CPU，其程序正在執(zhí)行。在單處理機(jī)系統(tǒng)中，只有一個(gè)進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)；在多處理機(jī)系統(tǒng)中，則有多個(gè)進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)。

3）阻塞狀態(tài)

正在執(zhí)行的進(jìn)程由于發(fā)生某事件而暫時(shí)無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，便放棄處理機(jī)而處于暫停狀態(tài)，亦即進(jìn)程的執(zhí)行收到阻塞，把這種暫停狀態(tài)成為阻塞狀態(tài)，有時(shí)也稱為等待狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。

致使進(jìn)程阻塞的典型事件有：請(qǐng)求 I/O，申請(qǐng)緩沖空間等。

3、掛起狀態(tài)

1）引入掛起狀態(tài)的原因

①終端用戶的請(qǐng)求

②父進(jìn)程請(qǐng)求

③負(fù)荷調(diào)節(jié)的需要

④操作系統(tǒng)的需要

2）進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

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

4、創(chuàng)建狀態(tài)和終止?fàn)顟B(tài)

1）創(chuàng)建狀態(tài)

創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程一般要通過(guò)兩個(gè)步驟：首先，為一個(gè)新進(jìn)程創(chuàng)建 PCB，并填寫必要的管理信息；其次，把該進(jìn)程轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)并插入就緒隊(duì)列中，當(dāng)一個(gè)新進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，系統(tǒng)已為其分配了 PCB，填寫了進(jìn)程標(biāo)識(shí)等信息，但由于該進(jìn)程所必須的資源或其他信息，如主存資源尚未分配時(shí)等，一般而言，此時(shí)的進(jìn)程已擁有了自己的 PCB，但進(jìn)程自身還未進(jìn)入主存，即創(chuàng)建工作尚未完成，進(jìn)程還不能被調(diào)度運(yùn)行，其所處的狀態(tài)就是創(chuàng)建狀態(tài)。

引入創(chuàng)建狀態(tài)，是為了保證進(jìn)程的調(diào)度必須在創(chuàng)建工作完成后進(jìn)行，以確保對(duì)進(jìn)程控制塊操作的完整性。同時(shí)，創(chuàng)建狀態(tài)的引入，也增加了管理的靈活性，操作系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)性能或主存容量的限制，推遲創(chuàng)建狀態(tài)進(jìn)程的提交。對(duì)于處于創(chuàng)建狀態(tài)的進(jìn)程，獲得了其所必須的資源，以及對(duì)其 PCB 初始化工作完成后，進(jìn)程狀態(tài)便可由創(chuàng)建狀態(tài)轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)。

2）終止?fàn)顟B(tài)

進(jìn)程的終止也要通過(guò)兩個(gè)步驟：首先等待操作系統(tǒng)進(jìn)行善后處理，然后將其 PCB 清零，并將 PCB 空間返還系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了自然結(jié)束點(diǎn)，或是出現(xiàn)了無(wú)法克服的錯(cuò)誤，或是被操作系統(tǒng)所終結(jié)，或是被其他有終止權(quán)的進(jìn)程所終結(jié)，它將進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)的進(jìn)程以后不能再執(zhí)行，但在操作系統(tǒng)中依然保留一個(gè)記錄，其中保存狀態(tài)碼和一些計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，供其他進(jìn)程收集。一旦其他進(jìn)程完成了對(duì)終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程的信息提取之后，操作系統(tǒng)將刪除該進(jìn)程。

如圖2-8所示，引進(jìn)創(chuàng)建和終止?fàn)顟B(tài)后，在進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，相比較2-7所示的進(jìn)程五狀態(tài)而言，需要增加考慮下面的幾種情況。

①NULL→創(chuàng)建：一個(gè)新進(jìn)程產(chǎn)生時(shí)，該進(jìn)程處于創(chuàng)建狀態(tài)。

②創(chuàng)建→活動(dòng)就緒：在當(dāng)前系統(tǒng)的性能和內(nèi)存的容量均允許的情況下，完成對(duì)進(jìn)程創(chuàng)建的必要操作后，相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)程將進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為活動(dòng)就緒狀態(tài)。

③創(chuàng)建→靜止就緒：考慮到系統(tǒng)當(dāng)前資源狀況和性能要求，并不分配給新建進(jìn)程所需資源，主要是主存資源，相應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)程將進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜止就緒狀態(tài)，對(duì)換到外存，不再參與調(diào)度，此時(shí)進(jìn)程創(chuàng)建工作尚未完成。

④執(zhí)行→終止：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)了自然結(jié)束點(diǎn)，或是出現(xiàn)了無(wú)法克服的錯(cuò)誤，或是被操作系統(tǒng)所終結(jié)，或是被其他有終止權(quán)的進(jìn)程所終結(jié)，進(jìn)程即進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)。

2.1.5 進(jìn)程控制塊

1、進(jìn)程控制塊的作用

為了描述和控制進(jìn)程的運(yùn)行，系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——進(jìn)程控制塊 PCB（Process Control Block），它是進(jìn)程實(shí)體的一部分，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。PCB 中記錄了操作系統(tǒng)所需的、用于描述進(jìn)程的當(dāng)前情況以及控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息。

進(jìn)程控制塊的作用是使一個(gè)在多道程序環(huán)境下不能獨(dú)立運(yùn)行的程序（含數(shù)據(jù)），成為一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，一個(gè)能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程。或者說(shuō)，OS 是根據(jù) PCB 來(lái)對(duì)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行控制和管理的。

在進(jìn)程的整個(gè)生命期中，系統(tǒng)總是通過(guò) PCB 對(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制的，亦即，系統(tǒng)時(shí)根據(jù)進(jìn)程的 PCB 而不是任何別的什么而感知到該進(jìn)程的存在的，所以說(shuō)，PCB 是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。

2、進(jìn)程控制塊中的信息

1）進(jìn)程標(biāo)識(shí)符

①內(nèi)部標(biāo)識(shí)符：在所有的操作系統(tǒng)中，都為了每一個(gè)進(jìn)程賦予了一個(gè)唯一的數(shù)字標(biāo)識(shí)符，它通常是一個(gè)進(jìn)程的序號(hào)。設(shè)置內(nèi)部標(biāo)識(shí)符主要是為了方便系統(tǒng)使用。

②外部標(biāo)識(shí)符：它由創(chuàng)建者提供，通常是由字母、數(shù)字組成，往往是由用戶（進(jìn)程）在訪問(wèn)該進(jìn)程時(shí)使用。為了描述進(jìn)程的家族關(guān)系，還應(yīng)設(shè)置父進(jìn)程標(biāo)識(shí)及子進(jìn)程標(biāo)識(shí)。此外，還可以設(shè)置用戶標(biāo)識(shí)，以指示擁有該進(jìn)程的用戶。

2）處理及狀態(tài)

處理機(jī)狀態(tài)信息主要是由處理機(jī)的各種寄存器中的內(nèi)容組成的。處理機(jī)在運(yùn)行時(shí)，許多信息都放在寄存器中，當(dāng)處理機(jī)被中斷時(shí)，所有這些信息都必須保存在 PCB 中，以便在該進(jìn)程重新執(zhí)行時(shí)，能從斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。這些寄存器包括：①通用寄存器，又稱為用戶可視寄存器，它們是用戶程序可以訪問(wèn)的，用于暫存信息，在大多數(shù)處理機(jī)中，有8~32個(gè)通用寄存器，在 RISC 結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)中可超過(guò)100個(gè)；②指令計(jì)數(shù)器，其中存放了要訪問(wèn)的下一條指令的地址；③程序狀態(tài)字 PSW，其中含有狀態(tài)信息，如條件碼、執(zhí)行方式、中斷屏蔽標(biāo)志等；④用戶棧指針，指每個(gè)用戶進(jìn)程都有一個(gè)或若干個(gè)與之相關(guān)的系統(tǒng)棧，用于存放過(guò)程和系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)及調(diào)用地址，棧指針指向該棧的棧頂。

3）進(jìn)程調(diào)度信息

在 PCB 中還存放一些與進(jìn)程調(diào)度和進(jìn)程對(duì)換有關(guān)的信息，包括：①進(jìn)程狀態(tài)，指明進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，作為進(jìn)程調(diào)度和對(duì)換時(shí)的依據(jù)；②進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，用于描述進(jìn)程使用處理機(jī)的優(yōu)先級(jí)別的一個(gè)整數(shù)，優(yōu)先級(jí)高德進(jìn)程優(yōu)先獲得處理機(jī)；③進(jìn)程調(diào)度所需的其他信息，它們與所采用的進(jìn)程調(diào)度算法有關(guān)，比如，進(jìn)程已等待 CPU 的時(shí)間總和、進(jìn)程已執(zhí)行的時(shí)間總和等；④事件，指進(jìn)程由執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)所等待發(fā)生的事件，即阻塞原因。

4）進(jìn)程控制信息

進(jìn)程控制信息包括：①程序和數(shù)據(jù)的地址，指進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)所在的內(nèi)存或外存地址，以便再調(diào)度到該進(jìn)程執(zhí)行時(shí)，能從 PCB 中找到其程序和數(shù)據(jù)；②進(jìn)程同步和通信機(jī)制，指實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步和進(jìn)程通信時(shí)必須的機(jī)制，如消息隊(duì)列指針，信號(hào)量等，它們可能全部或部分地放在 PCB 中；③資源清單，即一張列出了出 CPU 以外的、進(jìn)程所需的全部資源及已經(jīng)分配到該進(jìn)程的資源的清單；④鏈接指針，它給出了本進(jìn)程（PCB）所在隊(duì)列中的下一個(gè)進(jìn)程的 PCB 的首地址。

3、進(jìn)程控制塊的組織方式

1）鏈接方式

把具有同一狀態(tài)的 PCB，用其中的鏈接字鏈接成一個(gè)隊(duì)列。可以形成就緒隊(duì)列、若干個(gè)阻塞隊(duì)列和空白隊(duì)列等。對(duì)其中的就緒隊(duì)列常按進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的高低排列，把優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程的 PCB 排在隊(duì)列前面。此外，也可根據(jù)阻塞原因的不同把處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程的 PCB 排成等待 I/O 操作完成的隊(duì)列和等待分配內(nèi)存的隊(duì)列等。如圖：

2）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。例如，就緒索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在內(nèi)的首地址記錄在內(nèi)存的一些專用單元中。在每個(gè)索引表的表目中，記錄具有相應(yīng)狀態(tài)的某個(gè) PCB 在 PCB 表中的地址。如圖：示出了索引方式的 PCB 組織。