§3.4 进程控制 进程从创建到消灭的整个自下而上期中有三个基本状态，称为进程调度状态：执行、就绪、等待（阻塞）。

一、实际上，为了更好地管理和调度进程及适应系统的功能目标，许多系统中都有“挂起” 和“解除挂起 ” (即解挂)进程的功能： 1. 系统有时可能出故障或某些功能受到破坏，这时需要暂时将系统中的进程挂起，以便系统把故障消除后，再恢复原来状态。 2. 用户检查自己作业的中间执行情况和中间结果时，因同预期想法不符而产生怀疑，这时用户要求挂起他的进程，以便进行某些检查和改正。

3. 系统中有时负荷过重 (进程数过多)，资源数相对不足，从而造成系统效率下降，此时需挂起一部分进程以调整系统负荷，等系统中负荷减轻后再将挂起进程恢复运行。 表示具有挂起和解挂功能的系统中进程的状态，新增加了新的状态 挂起就绪 (readys) 挂起等待 (Blockeds) 活动就绪 (readya) 活动等待 (Blockeda)

注：挂起命令可由进程自己或其它进程发出；而解挂命令只能由其它进程发出。 wakeup (唤醒) 事件发生 Readya Blockeda 时间片完 schoduler 等待事件 sleep 被调度 Running 解挂 active 挂起 suspend 挂起 suspend 解挂 active Readys 挂起suspend Blockeds 事件发生 wakeup (唤醒) 图：具有挂起功能的进程状态变化 注：挂起命令可由进程自己或其它进程发出；而解挂命令只能由其它进程发出。

二、进程的原语 1. OS的内核 为了对进程控制，系统中必须设置一个机构，它具有创建撤消以及进程通讯和资源管理等功能，这样结构称为OS的内核 (kernel)。 内核本身并非一个进程，而是硬件的首次延伸，即它是加到硬件上的第一层软件。 内核是通过执行各种原语操作来实现各种控制和管理功能的。

2. 原语 (primitive) 原语是机器指令的延伸，是用若干条机器指令构成的，用以完成特定功能的一段程序。为保证操作的正确性，原语在执行期间是不可分割的。 在许多机器中为了实现上的方便，规定在执行原语操作的要屏蔽中断，以保证原语操作的不可分割性。

为了对系统中的进程进行有效的管理，通常系统都提供了若干基本的操作，这些操作通常被称为原语。 用于进程控制的原语有： (1) 创建进程原语 (2) 撤消进程原语 (3) 挂起进程原语 (4) 解挂进程原语 (5) 阻塞进程原语 (6) 唤醒进程原语 (7) 调度进程运行原语 (8) 改变优先级原语

(1) 建立进程原语 一个进程如果需要时，它可以建立一个新的进程。被建立的进程称为子进程，而建立者进程称为父进程。所有的进程只能由父进程建立，不是自生自灭的。

各系统的建立进程原语就是供进程调用的用以建立子进程使用的。该原语的主要工作是为被建立进程建立起一个进程控制块PCB，并填入相应的初始值。其主要操作过程是先向系统的PCB空间申请分给一个空闲的PCB，而后根据父进程所提供的参数，将子进程的PCB表目初始化，最后返回一个进程内部名。参数为：进程名（外部标识符）n；处理机的初始状态（或进程运行现场的初始值，主要指名寄存器和程序状态字初始值）S0；优先数k0；父进程分给子进程的初始主存区M0和其它资源清单（多种资源表）R0等。

建立进程原语的工作大致描述为： procedure Create (n, S0, k0, M0, R0) begin /  请求分配PCB空间  i : = Get Internal Name(n); /  初始化PCB  Id(i) : =n;  Priority(i) : = k0;  Cpustate(i) : = S0;  Main Store(i) : = M0;  Resources(i) : = R0;  Status(i) : = Readys  Parent(i) : = CALLER /  插入就绪队列  Insert(RL,i); end

程序中的第语句是调用查找进程名过程“ Get Internal Name ”，参数为进程外部名n。该过程查找PCB集合，如已有此同样外部名进程则返回出错消息，否则返回一个空闲的PCB内部标识号i。 第语句是把进程外部名n登记到第i个PCB的相应外部名表目中。 语句是往PCB中登记优先数。 语句登记现场状态初始值 S0到相应的现场保留区中或Cpustate中。

，分别记入主存和资源的初始占有情况，这是由父进程将自己的一部分资源分给子进程的。 是把进程初始状态置为“ 挂起就绪 ”。 语句中CALLER代表调用本过程的父进程之内部标识号，将它记入子进程PCB的父进程名这一栏。 语句也是调用插入过程Insert，其中RL表示就绪队列，即把进程i插入就绪队列。

(2) 挂起与解挂原语 在挂起原语的作用下，进程的状态由活动转为静止，而激活原语则处于静止状态的进程变为活动，即把“ 静止就绪 ” 变为“ 活动就绪 ”，将“ 静止阻塞 ” 变为“ 活动阻塞 ”。 如激活具有指定标识符的进程的操作可描述为：

procedure activate (n:) begin i : = get internal name (n): if status(i) : = “ readys” then status(i) : = “ readya” else status(i) : = “ blockeda”; if status(i) : = “ Readya” then Scheduler end

说明： 1. 首先根据进程外部名n，找出其内部名i； 2. 看其状态是“ readys” 还是“ blockeds”； 3. 假若状态是“ Readya”则由于此进程挂起了很长时间才解挂，其优先数可能改变，所以调用处理机调度程序 (scheduler) 来为高优先级进程抢占由一个低优先级进程占用的处理机。

(3) 改变进程优先级原语 进程的优先级是表示进程的重要性及运行的优先性，供进程调度程序调度进程运行时使用。为了防止一些进程因优先级较低，而长期得不到运行的情况。许多系统采用动态优先级，即进程的优先级不是固定不变的，而是按一定原则变化的。

通常进程的优先级与以下因素有关： (1) 作业开始时的静态优先数。作业的优先数取决于作业的重要程度；用户为作业运行所付出的价格和费用大小；作业的类型等因素； (2) 进程的类型。一般系统进程的优先级大于用户进程的优先数；输入输出型进程的优先级大于CPU型的进程，这是为了充分发挥系统输入输出设备的效能；

(3) 进程所使用的资源量。随着使用CPU时间愈多，其优先级愈来愈低。对其它资源使用的情况的考虑也类似。 (4) 进程在系统中等待时间。等待时间愈长，优先级就愈高。

各系统出于不同考虑，有不同的优先数计算公式。这些公式主要来自于实践经验。以UNIX系统为例，其优先数的最小值为-100，最大值为127。其值越小，优先级越高。用户进程的优先数总是大于等于100。对优先数大于等于100的进程，系统为其每秒重算一次优先数。 计算公式如下：

PCPU，对当前运行进程每20毫秒加1，直至255为止。对其它进程每秒减10，直到小于10为止。所以这是一个与进程运行时间和等待时间有关的量； Pnice，这是一个与进程本身情况有关的参数，通常为正。用户是通过系统调用nice设置的。 由公式可以看出，一个进程占用CPU时间增加，它的优先级下降。而长期不被理睬的进程，其优先级将会相对提高。

改变某进程n的优先数的原语大致可描述如下： procedure Change Priority(n) ; begin i : = Search Internal Name (n) ; Pri(i) : = Calculate Priority(i) ; if Status (i) = Readya then begin Insert (RL, i, Pri) ; SCHEDULER end end

程序首先根据进程外部名n找出其内部名i，然后调用计算优先数公式算出优先数并登记到进程 i 的PCB中。当该进程状态为活动就绪，则一方面将进程 i 按其优先数插入就绪队列的适当位置，并调用 SCHEDULER，并决定是否可能抢占某个处理机使用。

三、O.S与进程控制的执行 操作系统是管理和控制进程执行的。操作系统本身是程序的集合，它与用户程序一样需要使用处理器来执行操作系统程序。 操作系统如何才能得到对处理器的控制，得到控制后运行方式如何？

1. 操作系统得到控制与进程间的开关（Switch） 操作系统是经由中断方式才得到对处理器的控制。当进程在处理器上执行时，处理器是运行在用户模式(用户态或目态)。当中断发生时，当前进程的执行被打断。从而执行操作系统的相应的中断处理程序，于是操作系统得到了对处理器的控制，直到处理完成后，操作系统才把处理器的控制权交还原来被中断进程，或交给其他就绪进程运行。 目态->管态->目态

常见引起打断进程的执行，把控制转给O.S.的事件机制。 (1) 时钟中断 时钟中断处理程序如果是当前运行进程时间片到，或定时钟唤醒实时进程或延迟处理进程。这时中断处理程序将调用进程调度程序调度其他进程来执行。

(2) I/O设备中断 如果中断处理程序发现I/O正常完成，并有一个或多个进程正被阻塞，等待该I/O中断。那么中断程序要把这些阻塞进程的进程状态改为就绪，并把它们从阻塞队列移到就绪队列中去，最后调用进程调度程序决定是由原来进程还是由其他进程来运行。

(3) 存储访问故障中断 如果进程要访问的地址不在主存中(如缺页等)，则需要把它们调入主存，这涉及等待时间较长的I/O操作。于是中断管理程序通过进程调度程序调度其他就绪进程运行，即引起了处理器在进程间切换。

(4) 访问管理程序中断 当处理器发现用户程序中的指令是访管指令，则自动触发本中断。中断管理程序调用相应管理程序为用户进程服务，如启动I/O，打开文件，分配主机等，通常会导致现行进程被阻塞。

处理器执行模式的开关： 用户进程被中断或调用操作系统功能(访问管理程序)均引起处理器执行模式开关，即由用户模式(目态) 内核模式(管态)。模式开关会引起系统开销，但开销很小。因为处理器执行模式的标志位，有些系统是在程序状态字中，通过存、取PSW就执行了模式开关。

进程之间的开关 操作系统执行过程中引起进程之间的开关。从上面关于中断驱动，使操作系统处理中断后，很多情况下，引起CPU在进程之间切换。进程间开关开销是比较大的。首先原来的运行进程的状态要改变为就绪或阻塞，那么它的PCB中的有关信息均应作相应变化，包括现场信息的保存。它的PCB将移到相应了列中去。其次需要为新选出的就绪进程的PCB改为运行状态，移出就绪队列，修改存储管理的有关表格，把新选出进程PCB中的寄存器和PSW中的值装入系统处理器的各寄存器和PSW中去。

2. 操作系统的执行方式 (1) 非进程的内核方式 如图a所示，操作系统整个处于内核模式，执行于所有进程的外部，并与它们分离的。每当运行的用户进程被中断，或者要求访问管理程序时，进程的现场信息保存起来，控制转给操作系统，并执行内核模式。这种方式是多数的老操作系统采用的方式，当时进程的概念只用于用户程序。

进程A 进程N … 操作系统 图a

(2) 在用户进程内部执行 这种方式多用于小型和微型操作系统中。由于每个进程都要使用操作系统服务功能，于是与虚拟技术类似的假想每个进程都有一个操作系统，认为操作系统与用户进程是上下文相关，操作系统的地址空间被包含在每个进程的地址空间之内。每当进程被中断和调用管理程序功能时，操作系统均在该用户进程的地址空间内执行，但处理器的执行模式仍然由用户模式改为内核模式。

这种方式的最大优点是，用户进程被中断或调用管理程序时，操作系统仍然在该进程地址空间内执行，没有进程之间开关发生(仅有处理器执行模式的开关)。UNIX操作系统就属于这种方式，而图a的方式中，进程被中断和调用管理程序，当控制转给操作系统，就已经从原来的进程转出来了。

进程A 进程N … OS功能 OS功能 进程开关功能 图b

(3) 操作系统进程方式 操作系统的各种功能作为系统进程运行，操作系统的实现，是这些系统进程的集合运行的结果，这些进程也称之为服务器或服务器进程，与用户进程的关系构成客户/服务器模式。这种方式的优点是便于应用软件工程中原则，设计操作系统的有关成分，使之具有高度模块独立性，高内聚，低耦合的模块。另外这种方式非常适合于多机系统和分布式环境。Windows NT可认为属于这种方式。

进程N 进程A OS进程1 OS进程i … 进程开关功能(微内核) 图c