第三章 进程管理 重点和难点： 进程的定义和特征 进程的同步和互斥 用信号量机制解决进程同步、互斥、前趋图问题

3.1 进程的基本概念 3.1.1 进程的引入 程序的顺序执行、程序的并发执行特征比较 程序的顺序执行 程序的并发执行 程序的顺序执行 程序的并发执行 1 顺序性 1 间断性 2 封闭性 2 失去封闭性 3可再现性 3 不可再现性

进程的引入 多道程序系统的特点是并行性。为了充分利用系统资源，在主存中同时存放多道作业运行，所以各作业之间是并行的 各程序由于同时存在于主存中，它们之间必定会存在相互依赖，相互制约的关系。 （间接制约关系、直接制约关系） 在多道程序系统所带来的复杂环境中，程序具有了并行、制约、动态的特性，原来的程序概念，难以刻画系统中的情况了。 程序本身完全是静态的概念 程序概念也反映不了系统中的并行特性

如果(pi，pj)∈ 可写成pi pj ，称pi是pj 的前驱，而pj是pi的直接后继。 关于前驱图的几个概念： 前驱图（Procedence Graph）：是一个有向无循环图，图中的每个结点可用于表示一条语句，一个程序段或进程；结点间的有向边则表示在两结点之间存在的偏序或前驱关系。“ ”， ＝{(pi，pj)} 如果(pi，pj)∈ 可写成pi pj ，称pi是pj 的前驱，而pj是pi的直接后继。 关于前驱图的几个概念： 1 直接前趋 2 直接后继 3 初始结点 4 终止结点 5 结点的重量：该结点所含的程序量或结点的执行时间来计算。

={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,p5),(P4,P6),(P5,P7),(P6,P7)} 七个结点的前驱图 存在下面的前驱关系： P1 P2，P1 P3；P1 P4；P2 P5；P3 P5；P5 P7; P4 P6，P6 P7 或表示为： P＝{P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7} ={(P1,P2),(P1,P3),(P1,P4),(P2,P5),(P3,p5),(P4,P6),(P5,P7),(P6,P7)}

注意：前驱图中不存在循环。 S2 S3 ， S3 S2 显然这种前驱关系是不可能满足的，S3的执行要依赖于S2的执行结果，S2的执行结果又要依赖于S3的执行结果，这种程序是不可能执行下去的。

1、程序的顺序执行 一个较大的程序通常都是由若干个程序段组成。在程序执行时，必须按照某种先后次序逐个执行，仅当前一操作执行完后，才能执行后继操作。 例如：在进行计算时，总是先输入用户的程序和数据，然后才能计算，计算完成后再将结果打印出来。

对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序的问题。如果对于下述三条语句的程序段： S1： a：＝x＋y S2： b：＝a－5 I1 C1 P1 P2 I2 程序顺序执行时的前驱图 对于一个程序段中的多条语句来说，也有一个执行顺序的问题。如果对于下述三条语句的程序段： S1： a：＝x＋y S2： b：＝a－5 S3： C：＝b＋1 (其中S2必须在a被赋值以后才能执行；同样S3也只能在b被赋值 以后才能执行)

2、 程序顺序执行时的特征 （1） 顺序性 （2） 封闭性（失去交换性） （3） 可再现性 2、  程序顺序执行时的特征 （1）  顺序性 处理机的操作，严格按照程序所规定的顺序执行，即只有前一操作结束后，才能执行后继操作。 （2） 封闭性（失去交换性） 程序是在封闭的环境下运行的。即程序在运行时，它独占全机资源，因而机内各资源的状态（除初始状态外），只有程序才能改变它。程序一旦开始运行，其执行结果不受外界因素的影响。 （3） 可再现性 只要程序执行时的环境和初始条件都相同，不论它是从头到尾的不停顿的执行，还是“走走停停”地执行，都将获得相同的结果。

3. 多道程序系统中，程序执行环境的变化 计算机能够同时处理多个具有独立功能的程序（批处理系统，分时系统、实时系统、网络与分布式系统）。这样的执行环境具有三个特点： 独立性 随机性 资源共享 硬件资源：CPU、输入输出设备，存储器 软件资源：各种例行程序、各种共享的数据 多道程序环境下执行程序的道数>计算机系统中CPU的个数 单CPU中，则由N－1道程序处在等待CPU的状态 输入输出设备有限将导致这些设备被共享、内存有限将导致内存被共享

程序的并发执行 I1 I2 I4 I3 C1 C2 C3 P1 C4 P4 P3 P2 程序并发执行时的前驱图

在上图中存在下属的前驱关系： Ii Ci ，Ii Ii＋1，Ci Pi，Ci Ci＋1， P Pi＋1 Ii＋1和Ci及Pi－1是可以并发执行的。

例：下述四条语句的程序段画出前驱图 S1： a：＝x+2 S2： b：＝y＋4 S3： c：＝a＋b S4： d：＝c＋6 S1 S2 S4

1.程序并发执行可分为两种： 多道程序系统的程序执行环境变化所引起的多道程序的并发执行 由于资源有限，多道程序的并发执行总是伴随着资源的共享与竞争，制约了各道程序的执行速度。 在某道程序段中，包含着一部分可以同时执行或顺序颠倒执行的代码 例如：read（a）； read（b）； 既可以同时执行，也可以颠倒次序执行，同时执行不会改变顺序程序所具有的逻辑行知，可采用并发执行来充分利用资源。

程序并发执行： 一组逻辑上相互独立的程序或程序段在执行过程中，其执行时间在客观上相互重叠，即一个程序段的执行，尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的这种执行方式。

程序并发执行时的特征 间断性、失去封闭性、不可再现性 间断性 失去封闭性 程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完成某一项任务而合作，致使在并发程序之间存在相互制约的关系。(I、C、P是三个相互合作的程序，当计算程序完成Ci－1的计算后，如果输入程序I尚未完成对Ii的处理，则计算程序无法进行Ci处理，致使计算程序在停运行。) 失去封闭性 程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。

不可再现性 程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也导致失去了可再现性。 例如：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，都要做print（N）操作，然后再将N置成“0”，程序A和B以不同的速度运行。（假定某时刻变量N的值为n） （1）  N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之前，此时得到的N值分别为n＋1，n＋1，0 （2）N：＝N＋1在print（N）和N：＝0之后，此时得到的N值分别为 n， 0， 1 （3） N：＝N＋1在 print（N）和N：＝0之间，此时得到的N值分别为 n， n＋1， 0

程序并发执行的条件 1966年，Bernstein提出了相邻语句S1，S2可以并发执行的条件。 程序并发执行过程可以描述为： S0 Cobegin P1；P2；……Pn Coend Sn 1966年，Bernstein提出了相邻语句S1，S2可以并发执行的条件。 如果并发执行的各程序段中语句或指令满足Bernstein的三个条件，则认为并发执行不会对执行结果的封闭性和可再现性产生影响。

将程序中任一语句Si划分为两个变量的集合R（Si）和W（Si）其中 R（Si）＝{a1,a2,……am}是语句Si在执行其间必须对其进行读写的变量 W（Si）＝{b1，b2，……bn}是语句Si在执行其间必须对其进行修改，访问的变量 如果对于语句S1和S2，有 ① R(S1)∩W(S2)＝{Φ} ② W(S1)∩R(S2)＝{Φ} ③W(S1) ∩W(S2)={Φ}同时成立 即：R(S1)∩W(S2) ∪W(S1)∩R(S2)∪W(S1) ∩W(S2)＝{Φ}则语句S1和S2是可以并发执行的。

例：若有两条语句Ci＝a－b和Wi＝c＋1，判断它们是否可以并发执行？ 解：它们的“读集”和“写集”分别为 R（C：＝a－b）＝{a，b}；R（W：＝c＋1）＝{c} W（C：＝a－b）＝{c} ；W（Wi：＝c＋1）＝{w} R（C：＝a－b）∩W（Wi：＝c＋1）={Φ} R（W：＝c＋1）∩W（C：＝a－b）={c} 所以：两条语句不能并发执行。

有的同学发现，同一语句的“读集”和“写集”的交集是空集。 R（C：＝a－b）∩W（C：＝a－b）＝{Φ} W（W：＝c＋1）∩W（W：＝c＋1）={Φ} 其实，同一语句的“读集”和“写集”也可能相同（交集不为空） 例如：计数语句： x＝x＋1 读集和写集相同R（x＝x＋1）＝W（x＝x＋1）＝{x}

课后练习 例：用Bernstein条件判断以下四条语句是否两两可以并发执行。 S1： a：＝x＋y S2： b：＝z＋1 S3： C：＝a－b S4： w：＝c＋1

例：设有堆栈S，栈指针top，栈中存放内存中相应数据块地址，设有两个程序段getaddr（top）和reladdr（blk），其中getaddr（top）从给定的top所指栈中取出相应的内存数据块地址，而reladdr（blk）则将内存数据块地址blk放入堆栈S中。   a b e f top 执行top top＋1后 getaddr 为了控制和协调各程序段执行过程中的软硬件资源共享和竞争，必须有一个描述各程序执行过程和共享资源的基本单位。（这个单位被成为进程，或任务task）

进程的定义 进程有许多各式各样的定义 （1）进程是可以并发执行的计算部分 进程：一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机 （2）进程是一个独立的可以调度的活动 （3）进程是一个抽象的实体，当它执行某个任务时，将要分配和释放各种资源 （4）行为的规则叫程序，程序在处理机上执行的活动称为进程。 （5）一个进程是一系列逐一执行的操作，而操作的确切含义则有赖于以何种详尽程度来描述进程。 进程：一个具有独立功能的程序对某个数据集在处理机 上的执行过程和分配资源的基本单位。 （在这里，程序指一组操作序列，而数据集则是接受程序规定操作的一组存储单元的内容。 ）

比较进程和程序的区别： 答：1 进程是一个动态的概念，进程的实质是程序的一次执行过程，动态性是进程的基本特征，同时进程是有一定的生命期的；而程序只是一组有序指令的集合，本身并无运动的含义，是静态的。 2并发性，并发性是进程的重要特征，引入进程的目的正是为了使其程序和其它程序并发执行；而程序(没有建立进程)是不能并发执行的。 3独立性，是指进程一个能独立运行、独立分配资源和独立调度的基本单位；凡未建立进程的程序，都不能作为一个独立的单位参加运行。 ４ 不同的进程可以包含同一个程序，同一个程序在执行中也可以产生多个进程。

作业和进程的关系 （区别） 1 作业是用户向计算机提交任务的任务实体。在用户向计算机提交作业之后，系统将它放入外存中的作业等待队列中等待执行；而进程则是完成用户任务的执行实体，是向系统申请分配资源的基本单位。 2 一个作业可由多个进程组成，且必须至少由一个进程组成，反之不然。 3 作业的概念主要用在批处理系统中，而进程的概念则用在几乎所有的多道系统中。

在操作系统中为什么要引进进程这个概念?它会产生什么影响? 答：在操作系统中为什么要引进进程这个概念?它会产生什么影响?