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程序的执行方式

顺序方式（*）

内存中只能驻留一个程序，前一个程序结束，后一个程序才能进来，并且有着严格的先后次序

顺序执行的特点：

  • 顺序性：程序执行有着明确的先后顺序
  • 封闭性：程序运行时独占所有资源
  • 可再现性：初始条件相同，若程序执行顺序不变，则每次得到的结果一定相同

问题：

  • 无法满足高性能

并发执行（***）

并发指一段时间内执行多个程序。多个程序同时进入内存，轮流交替执行。

并发执行的特点：

  • 间断性：交替执行就是走走停停

  • 失去了封闭性：程序不再独占系统资源

  • 不可再现性：程序执行有多种结果。

并行执行

同一时刻有多个程序执行，只能在多处理机上实现

进程

进程是研究并发方式下，程序的执行。

进程的概念：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一一个独立单位。

进程实体：由程序段、相关数据段和PCB组成

进程的特征

  • <mark>并发性</mark>， 多个进程在一段时 间内同存于内存中同时运行
  • <mark>动态性</mark>，进程由创建而产生，由调度而执行，由撤消而消亡。
  • 独立性，进程是能独立运行、资源分配、调度的基本单位。
  • 结构性，进程映像由程序、数据、栈和进程控制块( PCB )构成。
  • 异步性，进程按各自独立、不可预知的速度向前推进。

进程的状态

有三个状态：

  • 就绪状态：指程序已经处于准备好运行的状态。
  • 执行状态：指程序已经获得CPU，正在执行。
  • 阻塞状态：指程序的执行因为某些原因无法继续执行。

进程控制块（PCB）

  • 用来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程。（类似于学籍、户口等）
  • 进程创建时会建立一个PCB，结束时会收回PCB

进程控制块中的信息：

  • 进程标识符：包括内部标识符和外部标识符。
  • 处理机状态：处理机状态包括通用寄存器、程序计数寄存器、程序状态寄存器、栈寄存器信息。
  • 进程控制信息：程序栈和数据地址，同步和通信机制，资源清单,链接指针。
  • 进程调度信息

进程控制块中的组织方式

  1. 线性方式

  2. 链接方式

  3. 索引方式

进程控制

  • 进程控制用于创建、终止、阻塞和唤醒进程。

  • 进程控制由操作系统内核原语来实现。

    原语是由若干条指令组成，用于完成一定功能的一个过程，所有的指令要么全做，要么全不做。（一个函数）

用户态：具有较低特权的执行状态，进行执行规定的指令，访问特定的寄存器和存储区。

系统态（内核态）：具有较高特权，能执行全部的指令，访问所有的寄存器和存储区。

进程的四个操作

进程的创建

引起进程创建的事件：

  • 用户执行应用程序。
  • 用户登录。
  • 启动服务。
  • 程序创建进程。

进程创建的过程（必须要求是原语）：

  1. 申请空白PCB
  2. 为新进程分配资源，如内存空间等
  3. 初始化PCB
  4. 将进程插入就绪队列

进程的终止

引起进程终止的事件：

  • 正常结束。
  • 异常结束。
  • 外界干预。

进程的终止过程：

  • 检查进程状态。

  • 有无子孙需要终止。

  • 归还进程全部资源。

  • 将PCB从进程中移除。

进程的阻塞和进程的唤醒

进程调度概念

处理机调度的层次：

  • 高级调度
  • 低级调度
  • 中级调度

引起进程调度的事件：

  • 进程终止。
  • 进程创建。
  • 进程阻塞。
  • 进程唤醒。
  • 外部设备中断。

进程切换时需要保存和恢复现场。

进程调度的方式

  • 抢占式调度：允许调度程序根据某种原则，暂停某个占用处理机的进程，抢占已经分配出去的处理机。抢占的原则有优先权原则、短作业优先原则和时间片原则。

  • 非抢占式调度：进程一旦获得处理机，只有在该进程任务完成或因某事件而阻塞时，才让出处理机，决不允许某进程抢占已经分配出去的处理机。（只有时间片用完才能调度）

衡量调度算法指标

面向用户（***）：

  • 平均周转时间：所有周转时间求平均。
  • 带权周转时间：一个程序的周转时间除以服务的时间。（>=1）
  • 平均带权周转时间：对带权周转时间求平均。

周转时间：从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。

面向系统：

  • 吞吐量：在单位时间内系统所完成的作业数。
  • 处理机利用率：在过去一 段时间内CPU被占用的时间总和。
  • 各类资源的平衡利用率：保证系统所有的资源被合理利用。

进程调度算法（计算***）

先来先服务调度算法（***）

先来的进程先抢到CPU，有利于长作业，不利于短作业

短作业优先调度算法（***）

在分配时，优先分配给服务时间最短的，降低了系统的平均周转时间，对长作业不利。

只有在抢占的时候，进程的创建才会导致需要重新分配CPU，非抢占式在进程终止的时候分配。

非抢占方式：

抢占式：

高优先权调度算法（***）

按照优先权重分配CPU，优先数越小，优先权越大

高响应比优先调度算法

按照响应比去分配CPU资源，既考虑的作业的先后顺序，又优先照顾短作业，同时不会使长作业等太久

响应比 = 等待时间/服务时间

时间片轮转调度算法（***）

按照先来先服务的将作业放入一个调度队列中，每隔一定的时间片，发生一次调度，一般为10ms到100ms。

假设时间片为2。

多级队列调度算法

优先调度优先级高的

多级反馈队列调度算法

解决了低优先级队列长时间无法调度的问题

线程

为什么提出线程？

  • 进程是资源的拥有者，在并发时，对进程的切换需要有较大时空的开销。
  • 一个进程内全部线程都是在同一个地址空间进行，在并发时可以减少系统的开销。

线程概念：线程是进程的一个实体，是被系统独立调度的基本单位，只拥有少量的资源(如CPU寄存器资源)。

如下图所示，每个线程都会有个栈，一共有三个线程：

线程的特点：

  • 一个线程拥有少量的资源，记录在线程控制块中。轻型实体，线程基本上不拥有资源，或者是有较少的资源;
  • 一个进程的所有线程共享进程所拥有的全部资源。
  • 线程是处理机调度的基本单位，多个线程可以并发执行。

线程与进程的比较：

线程的实现方式：

  • 内核级线程：所有创建、切换等都需要内核的支持，开销较大（适合多处理器系统）
  • 用户级线程：可以不需要进入内核态创建，但是切换进程需要进入内核（开销小）
  • 组合方式：建立内核级线程与用户级线程的关系。

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