第二章處理機管理

程序的執行方式

順序方式（*）

內存中只能駐留一個程序，前一個程序結束，後一個程序才能進來，並且有着嚴格的先後次序

順序執行的特點：

• 順序性：程序執行有着明確的先後順序
• 封閉性：程序運行時獨佔所有資源
• 可再現性：初始條件相同，若程序執行順序不變，則每次得到的結果一定相同

問題：

• 無法滿足高性能

併發執行（***）

併發指一段時間內執行多個程序。多個程序同時進入內存，輪流交替執行。

併發執行的特點：

• 間斷性：交替執行就是走走停停

• 失去了封閉性：程序不再獨佔系統資源

• 不可再現性：程序執行有多種結果。

並行執行

同一時刻有多個程序執行，只能在多處理機上實現

進程

進程是研究併發方式下，程序的執行。

進程的概念：進程是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一一個獨立單位。

進程實體：由程序段、相關數據段和PCB組成

進程的特徵

• 併發性， 多個進程在一段時 間內同存於內存中同時運行
• 動態性，進程由創建而產生，由調度而執行，由撤消而消亡。
• 獨立性，進程是能獨立運行、資源分配、調度的基本單位。
• 結構性，進程映像由程序、數據、棧和進程控制塊( PCB )構成。
• 異步性，進程按各自獨立、不可預知的速度向前推進。

進程的狀態

有三個狀態：

• 就緒狀態：指程序已經處於準備好運行的狀態。
• 執行狀態：指程序已經獲得CPU，正在執行。
• 阻塞狀態：指程序的執行因爲某些原因無法繼續執行。

進程控制塊（PCB）

• 用來描述進程的基本情況和活動過程，進而控制和管理進程。（類似於學籍、戶口等）
• 進程創建時會建立一個PCB，結束時會收回PCB

進程控制塊中的信息：

• 進程標識符：包括內部標識符和外部標識符。
• 處理機狀態：處理機狀態包括通用寄存器、程序計數寄存器、程序狀態寄存器、棧寄存器信息。
• 進程控制信息：程序棧和數據地址，同步和通信機制，資源清單,鏈接指針。
• 進程調度信息

進程控制塊中的組織方式

1. 線性方式

2. 鏈接方式

3. 索引方式

進程控制

• 進程控制用於創建、終止、阻塞和喚醒進程。

• 進程控制由操作系統內核原語來實現。

  原語是由若干條指令組成，用於完成一定功能的一個過程，所有的指令要麼全做，要麼全不做。（一個函數）

用戶態：具有較低特權的執行狀態，進行執行規定的指令，訪問特定的寄存器和存儲區。

系統態（內核態）：具有較高特權，能執行全部的指令，訪問所有的寄存器和存儲區。

進程的四個操作

進程的創建

引起進程創建的事件：

• 用戶執行應用程序。
• 用戶登錄。
• 啓動服務。
• 程序創建進程。

進程創建的過程（必須要求是原語）：

1. 申請空白PCB
2. 爲新進程分配資源，如內存空間等
3. 初始化PCB
4. 將進程插入就緒隊列

進程的終止

引起進程終止的事件：

• 正常結束。
• 異常結束。
• 外界干預。

進程的終止過程：

• 檢查進程狀態。

• 有無子孫需要終止。

• 歸還進程全部資源。

• 將PCB從進程中移除。

進程的阻塞和進程的喚醒

進程調度概念

處理機調度的層次：

• 高級調度
• 低級調度
• 中級調度

引起進程調度的事件：

• 進程終止。
• 進程創建。
• 進程阻塞。
• 進程喚醒。
• 外部設備中斷。

進程切換時需要保存和恢復現場。

進程調度的方式

• 搶佔式調度：允許調度程序根據某種原則，暫停某個佔用處理機的進程，搶佔已經分配出去的處理機。搶佔的原則有優先權原則、短作業優先原則和時間片原則。

• 非搶佔式調度：進程一旦獲得處理機，只有在該進程任務完成或因某事件而阻塞時，才讓出處理機，決不允許某進程搶佔已經分配出去的處理機。（只有時間片用完才能調度）

衡量調度算法指標

面向用戶（***）：

• 平均週轉時間：所有周轉時間求平均。
• 帶權週轉時間：一個程序的週轉時間除以服務的時間。（>=1）
• 平均帶權週轉時間：對帶權週轉時間求平均。

週轉時間：從作業被提交給系統開始，到作業完成爲止的這段時間間隔。

面向系統：

• 吞吐量：在單位時間內系統所完成的作業數。
• 處理機利用率：在過去一 段時間內CPU被佔用的時間總和。
• 各類資源的平衡利用率：保證系統所有的資源被合理利用。

進程調度算法（計算***）

先來先服務調度算法（***）

先來的進程先搶到CPU，有利於長作業，不利於短作業

短作業優先調度算法（***）

在分配時，優先分配給服務時間最短的，降低了系統的平均週轉時間，對長作業不利。

只有在搶佔的時候，進程的創建纔會導致需要重新分配CPU，非搶佔式在進程終止的時候分配。

非搶佔方式：

搶佔式：

高優先權調度算法（***）

按照優先權重分配CPU，優先數越小，優先權越大

高響應比優先調度算法

按照響應比去分配CPU資源，既考慮的作業的先後順序，又優先照顧短作業，同時不會使長作業等太久

響應比 = 等待時間/服務時間

時間片輪轉調度算法（***）

按照先來先服務的將作業放入一個調度隊列中，每隔一定的時間片，發生一次調度，一般爲10ms到100ms。

假設時間片爲2。

多級隊列調度算法

優先調度優先級高的

多級反饋隊列調度算法

解決了低優先級隊列長時間無法調度的問題

線程

爲什麼提出線程？

• 進程是資源的擁有者，在併發時，對進程的切換需要有較大時空的開銷。
• 一個進程內全部線程都是在同一個地址空間進行，在併發時可以減少系統的開銷。

線程概念：線程是進程的一個實體，是被系統獨立調度的基本單位，只擁有少量的資源(如CPU寄存器資源)。

如下圖所示，每個線程都會有個棧，一共有三個線程：

線程的特點：

• 一個線程擁有少量的資源，記錄在線程控制塊中。輕型實體，線程基本上不擁有資源，或者是有較少的資源;
• 一個進程的所有線程共享進程所擁有的全部資源。
• 線程是處理機調度的基本單位，多個線程可以併發執行。

線程與進程的比較：

線程的實現方式：

• 內核級線程：所有創建、切換等都需要內核的支持，開銷較大（適合多處理器系統）
• 用戶級線程：可以不需要進入內核態創建，但是切換進程需要進入內核（開銷小）
• 組合方式：建立內核級線程與用戶級線程的關係。

題目練習