§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）。

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1 §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）。

2 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 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)

4 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。

5 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。

6 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。

7 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

8 (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。

9 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。

10 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

11 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。

12 ，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。

13 (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：

14 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

15 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。

16 (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。

17 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；

18 (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。

19 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：

20 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。

21 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

22 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。

23 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？

24 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

25 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。

26 (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。

27 (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。

28 (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。

29 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。

30 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。

31 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。

32 进程A 进程N … 操作系统 图a

33 (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。

34 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。

35 进程A 进程N … OS功能 OS功能 进程开关功能 图b

36 (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。

37 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