作業系統 第四章 行程

第四章 行程 行程概念 行程簡介 行程的狀態 行程控制區塊 行程排程 行程的建立與結束 執行緒 行程合作 行程間溝通 摘要

行程概念 行程與程式主要的不同點： 行程，簡單來說，就是一個執行中的程式。 程式是被放在外部的儲存裝置如磁碟上，而行程則被放在記憶體中。 程式在儲存裝置中是靜態的，而行程在記憶體中是動態的，它會隨著一些事件的發生而產生相對的改變。 行程，簡單來說，就是一個執行中的程式。

行程簡介 行程就是一個執行中的程式。 一個行程包括了 相對應的程式碼 CPU 中各暫存器的值 行程堆疊 資料區段

行程的狀態 一個行程在執行過程中，會改變很多狀態。 一個行程的狀態通常有下列幾種： 新建 執行 等待 就緒 終結

行程狀態圖 新建 允許進入 離開 中斷 結束 就緒 執行 排程器分派 I/O或事件結束 I/O或等待事件 等待

行程控制區塊 行程控制區塊（PCB)，儲存行程在執行時相關的資訊。 PCB 中通常包括了 行程狀態 CPU 暫存器 排程資訊 I/O 狀態 當行程進行切換時，需要將目前行程的相關資訊記錄在該行程的 PCB 中，並將另一個行程的 PCB 載入至系統中，這個動作稱為內文切換。

行程控制區塊 行程狀態 行程代號 程式計數器 暫存器 … 記憶體限制 己開啟的檔案串列

行程的切換 行程P0 作業系統 行程P1 中斷或系統呼叫 將狀態儲存至 PCB 0 執行中 閒置 由 PCB 1 載入狀態

第四章 行程 行程概念 行程排程 排程佇列 排程器 內文切換 行程的建立與結束 執行緒 行程合作 行程間溝通 摘要

行程排程 為了增加 CPU 的使用效率而提出多個行程的觀念。 一個單 CPU 的系統來說，隨時只能有一個行程在執行。 如何排程是影響作業系統效能最重要的因素。

排程佇列 一個行程在執行期間會在各種不同的佇列中進出。 一個系統中通常有 工作佇列 就緒佇列 等待佇列 裝置佇列

就緒佇列與裝置佇列 head tail 暫存器 … 就緒佇列 磁碟1 佇列 磁碟2 佇列 PCB7 PCB2 PCB5 PCB1 PCB9

排程器 作業系統中主要的排程器有： 長程排程器和短程排程器最大的不同點 執行的頻率 中程排程器最主要的用途在於降低系統多工的程度，以增加系統可用記憶體的大小。

內文切換 當 CPU 的使用權由一個行程轉到另一個行程時需進行內文切換。 內文切換動作所花的時間對系統而言是額外的負擔 。 執行緒降低內文切換所花的時間。

第四章 行程 行程概念 行程排程 行程的建立與結束 行程的建立 行程的結束 執行緒 行程合作 行程間溝通 摘要

行程的建立與結束 不同行程在系統中可以同時執行，而且必須能動態地被建立與刪除，如此才能有效地運用或共享系統資源來完成系統的目標。 如何有效地建立和刪除行程也是影響作業系統效能的重要因素。

行程的建立 一個行程能在執行的期間透過系統呼叫建立很多新的行程。 建立新行程的行程稱為父行程，而新建立的行程稱為子行程。 UNIX 系統中，使用行程代號（PID）來分辦不同的行程。 系統呼叫 fork() execve() wait()

行程樹 root kswapd keventd init_task bash ypbind crond …

行程的結束 一個行程結束時，需要將執行期間內用到的資源如實體記憶體、虛擬記憶體、開啟的檔案和使用的 I/O 裝置等，都會交還給作業系統。 系統呼叫 exit() about()

第四章 行程 行程概念 行程排程 行程的建立與結束 執行緒 行程合作 行程間溝通 摘要 執行緒概念 執行緒的優點 使用者和核心執行緒 多執行緒的模型 行程合作 行程間溝通 摘要

執行緒 系統呼叫 fork() 的缺點 若行程間可以共用一部分的記憶體空間，那麼額外的負擔就能減少，這也就是建立執行緒的基本理由。 需要做大量記憶體的複製 進行內文切換時需付出相當的代價 兩個行程間無法直接進行溝通 若行程間可以共用一部分的記憶體空間，那麼額外的負擔就能減少，這也就是建立執行緒的基本理由。

執行緒觀念 執行緒 傳統的行程 輕量級行程 使用 CPU 資源的基本單元 包含了一個程式計數器、一組暫存器和一個堆疊空間 與其他的執行緒共用同一個位址空間 傳統的行程 重量級行程 可看成是只有一個執行緒在執行的行程

傳統行程與執行緒行程 程式 資料 檔案 程式 資料 檔案 暫存器 堆疊 暫存器 暫存器 堆疊 堆疊 執行緒 執行緒 單執行緒 多執行緒

執行緒的優點 使用執行緒來取代傳統行程有幾項優點： 資源共享容易 節省記憶體空間 快速的內文切換 平行處理

使用者和核心執行緒 在作業系統中，有兩種方式來支援執行緒 使用者執行緒 核心執行緒 利用執行緒函式庫來提供的 建立與管理執行緒時比較有效率 若行程中的執行緒暫停，則同行程中其他所有執行緒也都會暫停執行 核心執行緒 由作業系統直接支援 建立與管理執行緒時比使用者執行緒來得慢 若行程中的執行緒暫停，核心可以安排其他在同行程中的執行緒繼續執行

多執行緒的模型 實作執行緒時通常有三種模型 多對一模型 - 將許多個使用者執行緒對應到同一個核心執行緒。 一對一模型 - 將一個使用者執行緒對應到一個核心執行緒。 多對多模型 - 將使用者執行緒對應到相同或是較少數目的核心執行緒。

多對一模型 使用者執行緒 核心執行緒

一對一模型 核心執行緒 使用者執行緒

多對多模型 使用者執行緒 核心執行緒 核心執行緒 核心執行緒

第四章 行程 行程概念 行程排程 行程的建立與結束 執行緒 行程合作 緩衝區 生產者 消費者 行程間溝通 摘要

行程合作 當多個行程同時在一個系統中執行時，可能會形成： 典型行程合作的問題： 多個獨立的行程 - 指行程之間沒有任何共享的資料。 一些合作的行程 - 指行程之間有共享的資料。 典型行程合作的問題： 生產者 - 產生資訊給消費者 消費者 - 消耗生產者所產生的資訊

緩衝區 當生產者和消費者同時執行時，需要有一個緩衝區給生產者存放產品，以提供給消費者使用。 緩衝區可分為： 無限緩衝區 有限緩衝區 緩衝區由作業系統提供的 IPC 機制來產生，或是直接經由程式設計師在程式中使用共享記憶體的機制來進行。

生產者與消費者的例子 使用共享記憶體機制 生產者及消費者的行程共享了下列的變數： 這個例子中同時最多只能使用到 n-1 個緩衝區的空間 #define BUF_SIZE int iIn = 0, iOut = 0 user_def_type buffer[BUF_SIZE] 這個例子中同時最多只能使用到 n-1 個緩衝區的空間

生產者 do { … 產生一個型別為 user_def_type 的資料並存放於 nextp /* 若緩衝區己滿則等待 */ while ((iIn + 1) % BUF_SIZE == iOut); ; buffer[iIn] = nextp; iIn = (iIn + 1) % BUF_SIZE; } while (FALSE);

消費者 do { while (iIn = iOut); /* 若緩衝區為空則等待 */ ; nextc = buffer[iOut]; iOut = (iOut + 1) % BUF_SIZE; … 將存於 nextc 的資料消耗掉 } while (FALSE);

第四章 行程 行程概念 行程排程 行程的建立與結束 執行緒 行程合作 行程間溝通 基本架構 直接溝通 間接溝通 同步 緩衝 例外狀況 摘要

行程間溝通 共享記憶體利用一塊行程間共享的緩衝區來進行合作的溝通，而溝通的方式完全由程式設計師自行設計。 行程間溝通（IPC）由作業系統提供。 IPC 包含了一些機制，讓行程與行程間能夠進行溝通與同步。 共享記憶體或是 IPC 的機制是可以同時使用的。

基本架構 行程間溝通（IPC）為作業系統所提供用來達到行程間資料交換與共享的機制。 IPC 通常會提供兩個函式： send() - 傳送訊息 recv() - 接收訊息 行程間在溝通時會建立一條通訊鏈結。透過鏈結send() 和 receive() 就可以傳送和接收訊息。 實作傳送與接收功能時有幾種方法： 直接或間接的溝通 對稱或非對稱溝通 傳送複製或只傳送參考

直接溝通 每個行程要與其他行程進行溝通時，必須要明確地指出訊息傳送的目的地或接收訊息的來源。 可分為對稱與非對稱，而 send() 和 receive() 分別被定義成 對稱 – send(A, message) /*傳送訊息給 A 行程*/ receive(B, message) /*從 B 行程接收訊息*/ 非對稱 – send(A, message) /*傳送訊息給 A 行程 */ receive(id, message)/*從任何一個行程接收一個訊息。 其中 id 這個變數代表正在與接 收端進行溝通的行程 */

直接溝通（續） 使用 IPC 機制程式較容易撰寫。 do { …. /* 生產者產生新的資料 p_product */ … send(消費者, p_product); } while (FALSE); 生產者行程 do { receive(生產者, c_product); … /* 消費者消耗c_product */ } while (FALSE); 消費者行程

間接溝通 訊息的傳送與接收是透過信箱來完成。 send() 與 receive() 可定義為 send(A, message) /*傳送一個訊息到 A 信箱*/ receive(A, message)/*從 A 信箱接收一個訊息*/ 多個行程同時共用相同的信箱，若多個行程同時接收訊息，那個行程會收到訊息？ 同時只允許兩個行程共享信箱 同時只允許一個行程呼叫 receive() 交給作業系統，讓作業系統決定由誰得到訊息

間接溝通（續） 信箱的擁有者可以為 若信箱的擁有者為作業系統，則作業系統必須提供功能讓行程去： 行程 作業系統 建立一個新的信箱 透過信箱去傳送和接收訊息 銷毀一個信箱

同步 行程間可透過 send() 與 receive() 來進行同步。 實作 send() 與 receive() 時，可為 阻隔式發送 非阻隔式發送 阻隔式接收 非阻隔式接收 當 send() 與 receive() 皆為阻隔式時，發送端與接收端之間就會是同步的。

緩衝 一個鏈結中，可能設置緩衝區來暫時儲存正在鏈結中傳遞的訊息，一般是用訊息佇列來實作。 實作訊息佇列時可使用下列幾種方法： 無緩衝 有限緩衝 無限緩衝 使用有緩衝的訊息佇列時，若行程間需要同步則需另外處理。

例外狀況 例外處理，用來處理各種例外狀況的一種錯誤回復機制。 當下列狀況發生時，系統可能需要進行錯誤的回復： 行程結束 訊息遺失 訊息的錯誤