03.第03节课第二章进程的描述与控制

罗泽兵 · 发表于 2024-4-15 08:27:12

好同学们，大家好，今天呢，我们来为大家介绍一下操作系统中进程与描述与控制这一章的部分。那么，在传统的操作系统当中呢，为了提高资源的利用率和系统的吞吐量，通常呢，采用多道程序技术，将多个程序呢同时装入内存。并使之呢，并发运行。传统意义上的程序呢，不能再独立进行。此时呢，

作为资源分配和独立运行的基本单位呢，那么就是进程。操作系统所具有的四大基本特征。就是说我们的。并发共享，虚拟异步。也是基于进程而形成的。从此。进程的角度呢？对操作系统呢？可以进行进一步的研究。所以呢，在操作系统当中进程呢，是一个集成极其重要的概念。那么，

接下来我们看一下前驱图的执行。那么，在早期未配置操作系统的？系统和单道批处理系统中程序的执行方式呢？是顺序执行，比如说在内存中呢？仅装入一道用户程序。由它独占系统中所有的资源，只有在一个用户程序执行完之后，才允许装入另一个程序并执行。那么由此可见呢，这种方式呢，非常浪费资源系统的效率呢，非常低。而在多道程序系统中，

由于内存中呢，可以同时装入多个程序，使它们能够共享系统资源。这个时候了。它们就能够并发执行可以控，克服了这些缺点程序的这两种执行方式呢，有种显著的不同。尤其是考虑到程序并发时的特征，才导致了在操作系统中引入了进程的概念。那么，我们为了能够更好的描述程序和顺序和并发执行的情况，那么我们先介绍一下用于程序执行的先后顺序的前序图。那么，所谓的前驱图呢？是指一个有向无环图那么可记？

为了dag。directed.acyclic graph.它用于描述进程之间的先后顺序，图中的每个节点呢，可以用一个进程。可以表示，一个进程或程序段乃至一条语句节点的有向边呢？表示，两个节点之间存在的偏序或前驱关系。进程和之间的前驱关系呢？那么可以用这样一个箭头来进行表示，如果进程pi和pj存在的前驱关系呢？可以表示为括号pi和pj。属于这样一个箭头，

也可以直接呢把它写为pi指向pj表示pj呢，开始之前执行pi必须完成。此时称pi是pg的直接前驱，而称pg是pi的直接后继，在前驱途中呢，把没有后继的节点呢，称为初始没有前驱的。在前置图中啊，把没有前驱的节点呢，称为初始节点，把没有后期的节点呢，称为终止节点。此外呢，每个节点呢，还有一个重量用于表示该节点所含的程序量或执行的时间，

那么我们看一下这个图当中，这个图当中呢，有着。呃，这样的前驱关系p1指向P2P1指向p3p1指向p4p2指向p3p2指向p5p3指向p5。p4呢指向p6p4呢指向p7p5指向p8。以及呢p6指向p8p7呢指向p9p8呢指向p9，那么或者呢，我们可以采用一个有序对的方式来进行表示。那么，应当注意的是，我们前序图中呢？是不允许有循环的，否则呢，必然会产生不可能实现的前序关系。

比如说我们旁边这个图当中具有循环的前序图，当中它的这个前序图当中呢，就有着循环，它一方面呢，要求s3开始之前s2必须完成。另一方面呢，又要求s2执行之前呢s3必须完成，那么显然呢，这种关系呢，是不能实现的。接下来我们看一下程序的顺序执行，通常一个应用程序由若干个程序段组成，每个程序段呢，完成特定的功能。他们在执行时呢，

都需要按照某种先后次序执行，仅当前一程序段完成后才运行，后一程序段。比如说，在进行计算时，我们应该先输入程序，然后呢，输入程序和输入输入程运行，输入程序，然后输入用户的程序和数据。然后呢，运行计算程序对所有输入的数据进行计算，最后才是打印顺序，这是我们的打印程序，结果那么这就是我们程序的顺序执行。

首先进行输入，然后呢，进行计算，最后呢，进行打印，那么这是程序的这样一个顺序执行。比如说我们要进行一个打印，你就要进行一个将计算结果进行打印，那么我们首先呢，就要进行输入数据。输入了数据之后呢，然后进行计算，计算了之后呢，才进行打印，那么这个是我们程序记。

顺序运行的这样一个这样一个情况。程序在顺序执行的特征呢？程序在顺序执行时具有三个特征。顺序性。只处理机了，严格的按照程序所规定的顺序执行。这本一操作呢，必须在下一个操作开始之前结束封闭性呢，是程序在封闭的环境下运行，比如说程序运行时呢，独占全局资源。资源的状态呢？只有本程序才能改变它，程序一旦开始执行。其其执行结果呢？

不受外界因素影响，可在线性就只只要程序执行时的环境和初级条件相同，当程序重复执行时，不管它是从头到尾不停顿的执行还是停停走走的执行。都可获得相同的结果，程序的顺序执行的这种特性呢？为程序员检测和校正程序的错误呢？带来很大方面，那么这是程序顺序执行的结果。好吧，我们来看一个。程序的并发执行的这样一个例子。比如说程序的顺序执行呢，虽然可以给程序员带来方便，但系统的利用率却非常低，

因此呢，在程序中引入了多道程序技术。是程序或程序段之间能并发执行，并非所有的程序呢都能并发执行，世界上只存在只有不存在前驱关系的程序之间呢，才有可能并发执行，否则呢。无法并发执行，我们来看一下这个例子，我们通过一个例子呢，来说明程序的并发执行和顺序执行。那么，在我们这个图当中呢？输入程序，打印程序以及呢？

计算程序，扇子之间存在着。I指向。ii指向ci指向pi这样一个前置关系，那么以至对一个作业的输入打印和打计算和打印的三个程序端呢？必须顺序执行，但是若对一批作业处进行处理时，每到作业的输入。计算和打印程序的执行情况呢？那么这是我们的这样一个图当中的这样一个情况。输入程序iiie在输入第一批数据后呢？由计算程序c1对该数据进行计算的同时，输入程序ci 2可以再进行第二次。数据的输入，从而使第一个计算程序c1可以与第二个输入程序I2并发执行。

那么，事实上呢？正是由于c1和I2并不存在前驱关系，因此它们可以并发执行。一般来说，输入程序ii+1。在输入第I+1次数据时，计算程序ci可能正在对程序ii的第I次输入的数据进行计算。而打印程序pi- 1正在对计算程序的。现在打印。程序ci- 1的计算结果，那么我们可以看到，从这个图我们可以看到，我们呢，存在的前驱关系。

ii指向ci。ii指向ii+1 ci指向pic I指向ci+1 p。pi指向pi+1，而ii+1和ci以及呢？pi- 1是重叠的，也就是说在pi- 1以及ci以及ii+1之间。不存在前驱关系，可可以并发执行，那么也就是说什么意思呢？就是说我们的IE。和I1运行完了之后，执行I2I2运行完了之后，执行I3，那么这个时候呢？c1执行完之后呢？

运行c2，那么c1执行完之后运行p1，那我们的I3。c2p1就可以进行并发执行，那么这就是程序的这样一个并发执行。那么我们再看一下程序，并发执行它的特征，程序的并发执行呢？在引入了程序间的并发执行功能后呢，虽然提高了系统的吞吐量和资源的利用率，但由于它们共享系统资源。以及呢，他们为完成同一项任务而相互合作，致使了这些并发执行的程序之间必然形成相互制约的关系，由此会给程序的并发执行呢带来新的特征。

比如说间断性失去封闭性，以及呢，不可再乱在线性程序，在并发执行时呢，由于他们共享系统资源以及未完成同一项任务而相互合作。致使在这些并发层执行的程序之间完成了相互制约的关系，那么我们刚才这个图当中ICP是三个相互合作的程序，计算程序完成了ci- 1的计算后呢？如果。完成了ci- 1的运算后呢？如果输入程序ciii尚未完成数据的输入，则计算程序ci就无法进行数据处理，必须暂停执行。只有当程序暂停的因素消失后，比如说ii已完成数据输入计算程序ci呢，

便可恢复执行，那么因此呢，相互制约呢，将导致程序具有执行暂停执行这种间断性的这样一个活动规律。另外呢，这是这是我们的间断性，另外呢，我们还有失去封闭性，那么失去封闭性是什么呢？失去封闭性是当系统中存在的多个可以并发执行的程序的时候。程系统中的各种资源将为他们所共享，而这些资源的状态呢，也由这些程序改变，那么致使其中某任意程序运行的时候呢，其环境都会受到其他程序的影响。

比如说我们的处理机已被分配给某个进行运行的时候呢，其他程序必须等待，因此由此可见呢，此时的程序呢，已经失去了封闭性。另外呢，我们还有不可再线性程序，在并发执行的时候呢，由于失去了封闭性。也将导致其失去可再线性。比如说有两个循环程序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每执行一次时执行print操作，然后将n置为零。

程序a和b以不同的速度运行，这样呢，可能出现这样一个。多种情况，比如说。第一种n=n+1在n和n之n=0之前，此时得到的n值呢，分别为n+1 n+1和零。那么，我们假设的是，某时刻变量了n的值为小n，那么n第二种情况n=n+1呢？在print n和n=0之后，此时得到的结果呢是n零一。那么，

如果n=n+1呢？在print n和n=0之间，那么此时得到了n的值呢？分别为nn加一零。那么由此可见呢，在程序的并发执行的时候呢，由于失去了封闭性，其计算结果呢，必将与并发执行的执行速度有关。从而使我们的程序呢，在执行时失去了可再线性，那么也就是说程序经过多次运行后呢？虽然它们执行的环境和初始起来，结果相初始，条件相同呢？

但是呢，他们得到的结果呢，却互不相同。接下来我们看一下进程的概念，那么由于在多道环境下多道体系环境下呢？程序的执行属于并发执行。他们使之呢，将失去封闭性，具有间断性，以及呢，运行结果不可再现性。由此决定了通常的程序是不能参与并发执行的，否则程序的运行呢，失去了意义。为了使我们程序呢，

能够并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制。这个时候呢，我们引入了进程的概念，那么为了使参与进并发执行的进程呢？都能独立的运行在操作系统中呢，必须为之配备一个专门的数据结构，称之为进程控制块PCB。就是我们的process control block PCB。PCB呢，进程控制块是进程存在的唯一标识，这里大家要注意，进程控制块PCB。是进程存在的唯一标识系统，利用PCB呢来描述系统进程的基本情况和活动过程。

从而呢，控制和管理进程，这样呢，把程序段相关的数据段和PCB 3部分呢，构成了进程实体，比如说进程实体呢，就是我们的程序段相关的数据段和PCB。一般情况下呢，我们把进程实体呢，就简称为进程，所谓创建进程呢，实际上呢，就是创建进程实体中的PCB，而撤销进程呢。实际上呢，

就是撤销进程的PCB。那么，对于进程的定义，我们有不同的定义，比如说可以定义了进程是程序的一次执行，也可以定义了进程是一个程序及其数据在处理器上的顺序，执行时所发生的活动。第还还有一种定义呢，是进程，是具有独立功能的程序。在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。那么，这是我们进程的这样一些定义。那接下来我们看一下进程的这样一个特征，

进程的特征呢？有并发。动态。独立预布，那么这些特征进程和程序呢？是两个概念，除了进程具有进程序，不不不具没有的这样一个PCB结构外呢？就还有这样一些动态，并发独立异步这样一些特点。所谓的动态性呢，是指进程的实质，是由进程实体的执行过程。因此呢，动态性就是进程最基本的特征。

动态性呢，还表现在它由创建而产生，由调度而执行而撤销而消亡，因此呢，进程实体具有一定的生命期。而程序呢，只是一组有序指令的集合，存放在某种介质上，其本身呢，不具有活动的含义，因此是静态的。所以说我们的进程的第一个特性呢，就是动态性，而并发性是什么呢？并发性是指多个进程实体同时存在于内存中，

且能在一段时间内同时运行，引入进程的目的呢？也正是使其。竞争实体能够和其他竞争实体能并发执行，因此并发性是积极进行的另一重要特性。同时，也成为操作系统的重要特征，而程序呢，它没有PCB是不能参与并发执行的，所以说我们进程还有一个特性呢，是并发性。另外，独立性是什么呢？在传统的操作系统中，独立性呢？

是指进程。是作为一个能独立运行，独立获得资源和独立接受调度的基本单位，凡是没有建立PCB的程序呢，都不能作为一个独立的单位参与运行，那么这是我们进程的独立性，这样一个特征。另外呢，还有异步性，异步性呢，是指进程按异步方式运行，就是说按各自独立的，不可预知的速度向前进行推进，那么正是由于这个原因呢，才导致了。

以前的程序呢，若参与并发执行，会产生其结果的不同，不能在线性。而为了使进程的并发运行，是具有一步性的。仍能保证进程在并发执行的结果是可在线的，在操作系统呢，引入了进程的概念，并配置了相关的进程同步机制，那么也就说我们的进程呢，还有一个特性呢是。异步性那么所以说大家呢，要注意进程的几个特征，并发动态独立异步。

接下来我们看一下进程的基本转状态及转换。那么，由于多个进程呢？在并发执行时共享系统资源而使它们在运行过程中呢？呈现间断性的运行选。规律因此呢，进程在其生命周期内呢，可能是多种状态。那么一般情况下呢，每一个进程呢，至少应处于这样三种基本状态之一，第一个呢是就序态，第二个呢是执行态。第三种呢，是阻塞态。

那么这三种状态是什么样的情况呢？就绪态正是进程已经准。或已经处于准备好运行的状态，比如说即进程已经分配到了除了CPU以外的所有资源之后，只要再获得CPU便可进行执行。如果系统中有许多处于旧序态的进程，就将它们按一定的策略，比如说优先级策略排成一个队列，该队列呢，称为旧序队列。也就是说，就绪队列呢，就是只要获得CPU就能够进行执行，那么这种状态呢，我们称为就绪状态。

另外呢，还有执行状态，执行状态呢，是指进程已获得CPU，其程序呢，正在执行的状态，对于任何一个时刻而言，在单处理机系统中。只有一个进程处于执行状态，那么这里到这里大家要注意在单处，在同一时刻中。在单处理系统中，只有一个进程处于执行状态，而在多处理机系统中呢？有同时呢？

有多个进程处于执行状态，那么阻塞状态是什么呢？这是指正在执行的程序。由于某种事件。比如说IO请求申请缓冲分区失败等情况，暂时无法继续执行的状态，那么就是说进程的执行呢？受到阻塞，由此引起进行调度操作系统呢？把处理器分为另一个，就是进进进。从而让受阻的进程呢，处于暂停状态，一般将这种暂停状态呢，称为阻塞状态，

有时称为等待或者封锁状态，通常系统呢，将处于阻塞状态的队列呢也。进程呢，也排成一个队列，称为阻塞队列。也就是说，我们来看一下这三种状态，这三种状态的就绪态，那么就是呢，处于只需要只只需要获得CPU，变得运行这样一个状态呢，我们称之为就绪状态。执行状态呢，就是已经获得CPU，

正在执行的状态，阻塞态呢，就是由于发生某事件，或者比如说IO请求。那么这个时候了，我们。由执行态将由执行态呢？并将它的处理器呢分配给另一个就绪进程，这样呢，我们就播就就没让就没有让没不使用我们的处理机，那么这种时候呢？就进程了，处于这样一个阻塞状态，那么这种这就是进程的三种基本状态，我们来看一下三种，

这三种基本状态的。这三种基本状态的转换进程在运行过程中经常发生，状态的转换，比如说处于就绪状态的进程在调度。程序时未知分配的处理器便可运行相应的其状态呢，就为就绪态变为执行态，而正在执行的进程呢。由于当前分配态，它的时间片呢，已被完已被剥夺，而处理器暂停执行时。其状态呢，便由执行态转为就绪，或者因为发生某事件的时候呢。使当前的程序的执行受阻，

比如说访问临界资源。等情况使之无法运行，比如说IO请求，那么这样一个情况致使该进程呢？由阻塞态由由由执行态变为阻塞态。那么我们看一下这个图，这个图当中呢？我们进程呢？可以由旧事态。去通过进程调度变成执行态也可以呢，由于时间偏晚，由执行态变为就绪态。或者呢，是有IO请求由我们的执行态变成就，就是变成阻塞态，

或者呢，阻塞态了它的IO事件完成。便有阻塞态了。回到就绪态，那么大家要记住这三态变化，它的这样一个引起的事件，阻塞态到就绪态呢？是iu完成。执行态呢，到阻塞态呢，是IO请求，就是带到执行态是进程调度执行态到就是它的是时间片完，那么大家要记住这三种状态以及它的相互变化的情况和它们。产生变化的各种事件的这样一个情况，那么大家要记住这样的方情况。

那么我们再看一下创建状态和终止状态，为了满足进程控制块呢，对数据的操作的完整性以及增强管理的灵活性，通常在系统中呢。为进程引入了两种常见的状态，创建状态和终止状态。创建状态呢？呃，是是。比如我们我们之前讲过进程呢，是由创建而产生，创建进程是一个比较复杂的过程，一般呢，要通过多个步骤才能完成，比如说。

首先，向进向由进程申请一个空白的PCB，并将PCB中填写用于控制和管理的信息，然后才能为该信息呢？该进程的分配。运行时所必要的资源，最后呢，把该进程转入旧区态，并插入旧区队列中。但如果该进程所需的资源尚不能得到满足，比如说自动尚为。足够的内存呢？使进程无法装入其中。此时创建工作未完成，进程不能被调度运行，

便于是便把此时进程所处的状态呢？称为创建状态。那么，引入创建状态的目的呢？是为了保证进程的调度，必须在创建工作完成后进行，以确保对进程控制快，操作的完整性。同时呢？创建状态的引入呢，也增加了管理的灵活性，操作系统可以根据系统的性能。或储存容量的限制推迟新进程的提交，那么对于处于创建状态的进程呢？当其获得了所需的资源以及对PCB的初始化完成工作后。

便可由创建状态呢转为就绪状态。那么，接下来我们看一下终止状态。进程的终止了，也要通过两个步骤，首先呢，是等待操作的，等待操作系统进行善后处理，最后将其PCB清零。并将PCB空间呢返回系统另一个当一个进程到达了，自然结束点或者是出现了无法克服的这样一个错误的时候呢，或者被操作系统所终结的时候，或者被其他有权终止的进程有终止权的进程。程所终止，它将进入终止状态。

进入终止状态的进程呢，不能再执行，但在操作系统中仍然保留一个记录，其中保存状态码和一些即时统计信息。供其他进程收集，一旦其他进程完成了，对其信息的提取之后呢？操作系统将删除该进程，并将PCB清零，并将该空白空PCB呢？返回系统，那么这是我们的。终止状态。

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