第2章進(jìn)程的描述與控制2

1、進(jìn)程管理進(jìn)程管理1第二章 進(jìn)程控制與描述2.5 經(jīng)典進(jìn)程同步問題2.6 進(jìn)程通信 2.7 線程的基本概念2.8 線程的實(shí)現(xiàn) 進(jìn)程管理進(jìn)程管理22.5 經(jīng)典進(jìn)程的同步問題經(jīng)典進(jìn)程的同步問題 1. 生產(chǎn)者消費(fèi)者問題2. 哲學(xué)家進(jìn)餐問題3. 讀者寫者問題 通過對經(jīng)典問題的研究和學(xué)習(xí)，可以幫助我們更好地理解進(jìn)程同步的概念及實(shí)現(xiàn)方法P60進(jìn)程管理進(jìn)程管理32.5.1 生產(chǎn)者生產(chǎn)者消費(fèi)者問題消費(fèi)者問題 Producer-consumer problem，又稱有限緩沖問題有限緩沖問題（Bounded-buffer problem)兩個共享固定大小緩沖區(qū)的進(jìn)程“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”進(jìn)程管理進(jìn)程管理42.5.1

2、 生產(chǎn)者生產(chǎn)者消費(fèi)者問題消費(fèi)者問題 They are, They are, 相互合作進(jìn)程相互合作進(jìn)程關(guān)系關(guān)系1. 用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決 2. 用用ANDAND信號量解決信號量解決3. 利用管程解決生產(chǎn)者利用管程解決生產(chǎn)者- -消費(fèi)者問題消費(fèi)者問題n單緩沖區(qū)情況單緩沖區(qū)情況 生產(chǎn)者生產(chǎn)者P P和消費(fèi)者和消費(fèi)者C C共用共用一個緩沖區(qū)一個緩沖區(qū)，P P生產(chǎn)產(chǎn)品放入生產(chǎn)產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)，C C從緩沖區(qū)取產(chǎn)品來消費(fèi)。從緩沖區(qū)取產(chǎn)品來消費(fèi)。n多個緩沖區(qū)情況多個緩沖區(qū)情況 生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過一個有界緩沖池生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過一個有界緩沖池(n(n個個) )相互聯(lián)系。相互聯(lián)系。 進(jìn)程管理

3、進(jìn)程管理5單緩沖區(qū)情況單緩沖區(qū)情況n單緩沖區(qū)的單緩沖區(qū)的同步問題同步問題 生產(chǎn)者P進(jìn)程不能往“滿”的緩沖區(qū)中放產(chǎn)品，設(shè)置信號量為empty（初值為1）消費(fèi)者C進(jìn)程不能從“空”的緩沖區(qū)中取產(chǎn)品，設(shè)置信號量full （初值為0）n單緩沖區(qū)的單緩沖區(qū)的互斥問題互斥問題P、C進(jìn)程不能同時使用緩沖區(qū)不能同時使用緩沖區(qū)進(jìn)程管理進(jìn)程管理6Semaphore empty=n ,full=0；(單緩沖區(qū)單緩沖區(qū)) 生產(chǎn)者生產(chǎn)者消費(fèi)者問題消費(fèi)者問題Proceducer ： while (true) 生產(chǎn)一個產(chǎn)品生產(chǎn)一個產(chǎn)品; P(empty) ; 送產(chǎn)品到緩沖區(qū)送產(chǎn)品到緩沖區(qū); V(full); ;Consume

4、r ：while (true) P(full); 從緩沖區(qū)取產(chǎn)品從緩沖區(qū)取產(chǎn)品; V(empty); 消費(fèi)產(chǎn)品消費(fèi)產(chǎn)品; ; 進(jìn)程管理進(jìn)程管理7多個緩沖區(qū)情況多個緩沖區(qū)情況n生產(chǎn)者和消費(fèi)者共享生產(chǎn)者和消費(fèi)者共享n n個緩沖區(qū)，利用互斥信號個緩沖區(qū)，利用互斥信號量量Mutex (Mutual exclusion，縮寫Mutex)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程對實(shí)現(xiàn)進(jìn)程對緩沖池的緩沖池的互斥使用互斥使用。n信號量信號量empty和和full分別表示緩沖池中分別表示緩沖池中空緩沖區(qū)空緩沖區(qū)和和滿緩沖區(qū)滿緩沖區(qū)的數(shù)量。的數(shù)量。n生產(chǎn)者和消費(fèi)者生產(chǎn)者和消費(fèi)者相互等效相互等效，只要緩沖池未滿，只要緩沖池未滿，生產(chǎn)者便可將消息送

5、入緩沖池；只要緩沖池未生產(chǎn)者便可將消息送入緩沖池；只要緩沖池未空，消費(fèi)者便可從緩沖池中取走一個消息?？?，消費(fèi)者便可從緩沖池中取走一個消息。進(jìn)程管理進(jìn)程管理8.PC生產(chǎn)者生產(chǎn)者消費(fèi)者消費(fèi)者n-1n-1n n個個BufferBuffer 同步同步 當(dāng)緩沖池已放滿產(chǎn)品時，當(dāng)緩沖池已放滿產(chǎn)品時，生產(chǎn)者生產(chǎn)者進(jìn)程必須進(jìn)程必須等待等待 當(dāng)緩沖池已空時，當(dāng)緩沖池已空時，消費(fèi)者消費(fèi)者進(jìn)程應(yīng)進(jìn)程應(yīng)等待等待 互斥：互斥：所有進(jìn)程應(yīng)所有進(jìn)程應(yīng)互斥使用緩沖池互斥使用緩沖池這一臨界資源。這一臨界資源。進(jìn)程管理進(jìn)程管理91. 用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決 Semaphore empty=n ,full=0；lem

6、pty表示空緩沖個數(shù)，初值為表示空緩沖個數(shù)，初值為n；lfull表示滿緩沖個數(shù)，初值為表示滿緩沖個數(shù)，初值為0。l互斥使用臨界區(qū)的信號量互斥使用臨界區(qū)的信號量mutex，初值為初值為1。進(jìn)程管理進(jìn)程管理101. 用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決 Semaphore empty=n ,full=0, mutex;item = buffern;int in=0,out=0; Main() cobegin producer(); consumer(); coend 進(jìn)程管理進(jìn)程管理11生產(chǎn)者生產(chǎn)者producer( ) do produce an item in nextp; wait(empt

7、y); /*申請空緩沖區(qū) */ wait(mutex); /*實(shí)現(xiàn)對緩沖池的互斥使用*/ bufferin = nextp; in = (in+1) % n; signal(mutex); signal(full); /* 滿緩沖區(qū)的個數(shù)加1*/ while (TRUE)進(jìn)程管理進(jìn)程管理12消費(fèi)者消費(fèi)者consumer() do wait(full); /*申請滿緩沖區(qū)申請滿緩沖區(qū)*/ wait(mutex); /*實(shí)現(xiàn)互斥實(shí)現(xiàn)互斥*/ nextc = bufferout; out = (out+1) mod n; signal(mutex); signal(empty); /*空緩沖區(qū)的個數(shù)

8、加空緩沖區(qū)的個數(shù)加1*/ consume the item in nextc; while(TRUE);進(jìn)程管理進(jìn)程管理132. 用用ANDAND信號量解決信號量解決 對于生產(chǎn)者對于生產(chǎn)者消費(fèi)者問題，也可利用消費(fèi)者問題，也可利用ANDAND信號量信號量來解決，即用：來解決，即用： Swait(empty，mutex)wait(empty)和和wait(mutex) Ssignal(mutex，full)signal(mutex)和和signal(full) Swait(full，mutex) wait(full)和和wait(mutex) Ssignal(mutex，empty)Signal(

9、mutex)和和Signal(empty) 進(jìn)程管理進(jìn)程管理14Producer( ) repeat produce an item in nextp; Swait(empty,mutex); bufferin=nextp; in=in+1 % n; Ssignal(mutex,full); until false;Consumer( ) repeat Swait(mutex, full); nextc=bufferout; out=(out+1) % n; Ssignal(mutex,empty); consume the item in nextc; until false;進(jìn)程管理進(jìn)程管

10、理152.5.2 哲學(xué)家進(jìn)餐問題哲學(xué)家進(jìn)餐問題 5 5個哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，每人面前有一只空盤子，個哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，每人面前有一只空盤子，每每2 2人之間放一只筷子人之間放一只筷子: :n放在桌子上的放在桌子上的筷子是臨界資源筷子是臨界資源，可用一個信號量表示一只筷子，五個信號量構(gòu)成信號量數(shù)組。Semaphore chopstick5=1,1,1,1,1；n為了就餐，每個哲學(xué)家必須拿到兩只筷子，并且只為了就餐，每個哲學(xué)家必須拿到兩只筷子，并且只能直接從自己的左邊或右邊去取筷子。能直接從自己的左邊或右邊去取筷子。 smfr 進(jìn)程管理進(jìn)程管理16 1. 利用記錄型信號量解決利用記錄型信號量解決

11、第第i位哲學(xué)家的活動可描述為：位哲學(xué)家的活動可描述為：Semaphore chopstick5=1,1,1,1,1； repeat wait(chopsticki); /取左邊筷子取左邊筷子 wait(chopstick(i+1) % 5); / /取右邊筷子取右邊筷子 eat; signal(chopsticki); signal(chopstick(i+1) % 5); think; until false; 會死鎖會死鎖否？否？進(jìn)程管理進(jìn)程管理17 哲學(xué)家進(jìn)餐問題哲學(xué)家進(jìn)餐問題n哲學(xué)家饑餓時，總是先去拿左邊的筷子哲學(xué)家饑餓時，總是先去拿左邊的筷子( wait(chopsticki) )；

12、 成功后，再去拿他右成功后，再去拿他右邊的筷子邊的筷子(wait(chopstick(i+1)mod 5)；又成又成功后便可進(jìn)餐。功后便可進(jìn)餐。n進(jìn)餐完畢，則先放下左邊的筷子，然后再放進(jìn)餐完畢，則先放下左邊的筷子，然后再放右邊的筷子。右邊的筷子。上述解法可保證不會有兩個相鄰的哲學(xué)家上述解法可保證不會有兩個相鄰的哲學(xué)家同時進(jìn)餐，但有可能引起同時進(jìn)餐，但有可能引起死鎖死鎖。 進(jìn)程管理進(jìn)程管理18n假如五位哲學(xué)家同時饑餓而假如五位哲學(xué)家同時饑餓而各自拿起左邊的各自拿起左邊的筷子筷子時，就會使五個信號量時，就會使五個信號量chopstickchopstick均為均為0 0； 當(dāng)他們再試圖去拿右邊的筷子

13、時，都將因無當(dāng)他們再試圖去拿右邊的筷子時，都將因無筷子可拿而筷子可拿而無限期地等待無限期地等待。n幾種解決方法幾種解決方法 :死鎖的情況死鎖的情況進(jìn)程管理進(jìn)程管理19(1)(1)至多允許至多允許4 4個哲學(xué)家進(jìn)餐個哲學(xué)家進(jìn)餐 能保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐，并在進(jìn)餐完畢時能釋放出他用過的兩只筷子，從而使更多的哲學(xué)家能夠進(jìn)餐。(2)(2)僅當(dāng)哲學(xué)家的左、右兩只筷子均可用時，才僅當(dāng)哲學(xué)家的左、右兩只筷子均可用時，才允許他拿起筷子進(jìn)餐。允許他拿起筷子進(jìn)餐。(3)(3)規(guī)定哲學(xué)家拿起筷子的次序規(guī)定哲學(xué)家拿起筷子的次序給所有哲學(xué)家編號，奇數(shù)號的哲學(xué)家必須首先給所有哲學(xué)家編號，奇數(shù)號的哲學(xué)家必須首先拿左邊

14、的筷子，偶數(shù)號的哲學(xué)家則反之。拿左邊的筷子，偶數(shù)號的哲學(xué)家則反之。1 1、2 2號哲學(xué)家競爭號哲學(xué)家競爭1 1號筷子，則號筷子，則3 3、4 4號哲學(xué)家競號哲學(xué)家競爭爭3 3號筷子。即五位哲學(xué)家都先競爭奇數(shù)號筷子，號筷子。即五位哲學(xué)家都先競爭奇數(shù)號筷子，獲得后，再去競爭偶數(shù)號筷子，最后總會有一獲得后，再去競爭偶數(shù)號筷子，最后總會有一位哲學(xué)家能獲得兩只筷子而進(jìn)餐。位哲學(xué)家能獲得兩只筷子而進(jìn)餐。進(jìn)程管理進(jìn)程管理202. 用用ANDAND信號量解決信號量解決var chopstick:array0.4 of semaphore:=(1,1,1,1,1); repeat think; swait(ch

15、opstick(i+1) % 5,chopsticki); eat; signal(chopstick(i+1) % 5,chopsticki); until false;在哲學(xué)家進(jìn)餐問題中，每個哲學(xué)家先獲得在哲學(xué)家進(jìn)餐問題中，每個哲學(xué)家先獲得2臨界資源臨界資源(筷子筷子)方能進(jìn)餐，用方能進(jìn)餐，用AND信號量機(jī)制可獲得信號量機(jī)制可獲得最簡潔的解法最簡潔的解法進(jìn)程管理進(jìn)程管理212.5.3 “讀者讀者寫者寫者”問題問題“讀者一寫者讀者一寫者( (ReaderReaderWriter Problem)Writer Problem)問題問題”: 保證一個Writer進(jìn)程必須與其他進(jìn)程互斥地訪問共享對

16、象。Example:進(jìn)程管理進(jìn)程管理222.5.3 “讀者讀者寫者寫者”解決方案解決方案讀者一寫者的同步讀者一寫者的同步要求要求：1)允許允許多個讀者多個讀者同時執(zhí)行同時執(zhí)行讀操作讀操作2)不允許讀者、不允許讀者、寫者寫者同時操作同時操作3)不允許多個不允許多個寫者寫者同時操作同時操作1. 用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決2. 用信號量集機(jī)制解決用信號量集機(jī)制解決WriterWriter在在不能同時不能同時進(jìn)程管理進(jìn)程管理231. 用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決 讀者讀者-寫者問題有兩種類型：寫者問題有兩種類型：n讀者優(yōu)先讀者優(yōu)先 當(dāng)寫者提出寫的要求后，當(dāng)寫者提出寫的要求后，允許允許

17、新的新的讀者繼續(xù)進(jìn)入讀者繼續(xù)進(jìn)入n寫者優(yōu)先寫者優(yōu)先 當(dāng)寫者提出寫的要求后，當(dāng)寫者提出寫的要求后，不允許不允許新的新的讀者進(jìn)入讀者進(jìn)入進(jìn)程管理進(jìn)程管理24讀者讀者-寫者問題的信號量設(shè)置：寫者問題的信號量設(shè)置：n為實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)ReaderReader與與WriterWriter進(jìn)程間在讀或?qū)憰r的進(jìn)程間在讀或?qū)憰r的互斥互斥而設(shè)置了一個互斥信號量而設(shè)置了一個互斥信號量WmutexWmutex。n設(shè)置一個整型變量設(shè)置一個整型變量ReadcountReadcount表示正在讀的進(jìn)程數(shù)表示正在讀的進(jìn)程數(shù)目，也應(yīng)該為它設(shè)置一個互斥信號量目，也應(yīng)該為它設(shè)置一個互斥信號量rmutexrmutex。當(dāng)當(dāng)Readcou

18、nt=0，表示無表示無讀者進(jìn)程讀者進(jìn)程在讀，在讀，讀者進(jìn)程讀者進(jìn)程需要需要執(zhí)行執(zhí)行Wait(Wmutex)操作。若成功，操作。若成功，讀者進(jìn)程讀者進(jìn)程便可去讀，便可去讀，相應(yīng)地，做相應(yīng)地，做Readcount+1操作。操作。僅當(dāng)僅當(dāng)讀者進(jìn)程讀者進(jìn)程在執(zhí)行了在執(zhí)行了Readcount減減1操作后其值為操作后其值為0時，時，才須執(zhí)行才須執(zhí)行signal(Wmutex)操作，以便讓操作，以便讓寫者進(jìn)程寫者進(jìn)程寫寫。進(jìn)程管理進(jìn)程管理25用記錄型信號量解決用記錄型信號量解決 讀者讀者reader: begin begin repeat repeat wait(rmutex); if(readcount=

19、0) then wait(wmutex); readcount=readcount+1; signal(rmutex); perform read option; 讀操作讀操作 wait(rmutex); readcount=readcount-1; if readcount=0 then signal(wmutex); signal(rmutex ); until false; until false; end semaphore rmutex=1,wmutex=1;int Readcount=0; wmutex: 讀寫互斥讀寫互斥rmutex: 互斥訪問互斥訪問readcountReadc

20、ount:讀進(jìn)程數(shù)讀進(jìn)程數(shù)進(jìn)程管理進(jìn)程管理26寫者寫者writer: begin repeat wait(wmutex); perform write option; 寫操作寫操作 signal(wmutex); until false;end 進(jìn)程管理進(jìn)程管理272. 用信號量集機(jī)制解決用信號量集機(jī)制解決q引入一個信號量引入一個信號量L，并賦予其初值為并賦予其初值為RN，通通過執(zhí)行過執(zhí)行wait(L，1，1)操作來操作來控制讀者的數(shù)目控制讀者的數(shù)目qwait(S，d，t)操作來操作來:S 為信號量，總資源數(shù)量為信號量，總資源數(shù)量d為需求值，運(yùn)轉(zhuǎn)所需量為需求值，運(yùn)轉(zhuǎn)所需量t為下線為下線, st

21、 時方能啟動時方能啟動P66P66進(jìn)程管理進(jìn)程管理282. 用信號量集機(jī)制解決用信號量集機(jī)制解決與前面的略有不同，增加一個限制，即與前面的略有不同，增加一個限制，即最多只允許最多只允許RN個讀者同時讀。個讀者同時讀。引入一個信號量引入一個信號量L，并賦予其初值為并賦予其初值為RN，通過執(zhí)行通過執(zhí)行wait(L，1，1)操作來操作來控制讀者的數(shù)目控制讀者的數(shù)目當(dāng)有一個讀者進(jìn)入，執(zhí)行當(dāng)有一個讀者進(jìn)入，執(zhí)行wait(L，1，1)操作，使操作，使L的值減的值減1。當(dāng)有。當(dāng)有RN個讀者進(jìn)入讀后，個讀者進(jìn)入讀后，L便減為便減為0，第第RN+1個讀者要進(jìn)入讀時，必然會因個讀者要進(jìn)入讀時，必然會因wait(L

22、，1，1)操作失敗而阻塞。操作失敗而阻塞。L=0L=0時表示不允許讀者進(jìn)入時表示不允許讀者進(jìn)入L=RNL=RN時表示寫者可以進(jìn)入時表示寫者可以進(jìn)入進(jìn)程管理進(jìn)程管理29var RN:integer;L, mx: semaphore := RN,1;reader: begin repeat swait(L,1,1); swait(mx,1,0); perform read option; ssignal(L,1); until false; end writer: begin repeat swait(mx,1,1;L,RN,0); perform write option; ssignal(mx

23、,1); until false; end進(jìn)程管理進(jìn)程管理30Now, the problems are:l信號量機(jī)制信號量機(jī)制 進(jìn)程必須自備同步自備同步操作wait(s)和signal(s) wait(s)和signal(s)分布分布在進(jìn)程中 同步操作使用不當(dāng)使用不當(dāng)，造成死鎖l同步操作使用問題同步操作使用問題 wait(s)和和signal(s)顛倒顛倒 多個進(jìn)程同時進(jìn)入臨界區(qū) signal(s)誤寫成誤寫成wait(s) 其它不能進(jìn)入臨界區(qū) 遺漏遺漏 wait(s) 幾個進(jìn)程同時進(jìn)入臨界區(qū) signal(s) 其它進(jìn)程無法進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)程管理進(jìn)程管理煩，暈,誰來幫幫我?31進(jìn)程管理進(jìn)程管理

24、Im the monitor，coming! (管程, similar to“城管”：誰在掐架？）Come on! It cant gowrong every time.進(jìn)程管理進(jìn)程管理33 管程機(jī)制管程機(jī)制 1. 管程的定義管程的定義2. 管程的語法描述管程的語法描述3. 條件變量條件變量 解決方法解決方法：把對臨界資源的同步操作集中起把對臨界資源的同步操作集中起來，由一個進(jìn)程統(tǒng)一管理來，由一個進(jìn)程統(tǒng)一管理 進(jìn)程管理進(jìn)程管理34 1. “管程管程” 長啥樣的？長啥樣的？ 系統(tǒng)資源系統(tǒng)資源 抽象抽象 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （軟件硬件） （表示信息操作） 電傳機(jī)電傳機(jī)：狀態(tài)：狀態(tài)(忙、閑忙、閑) 、

25、請求、請求/釋放操作、等待隊列釋放操作、等待隊列 FIFO隊列隊列：隊首、隊尾、隊長、隊列操作：隊首、隊尾、隊長、隊列操作 緩沖池緩沖池：大小、指針：大小、指針(空滿空滿)、放入、放入/獲取操作獲取操作進(jìn)程管理進(jìn)程管理35 1. “管程管程” 長啥樣的？長啥樣的？一組表征資源的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作操作的一組過程管程管程 管程被請求和釋放資源的進(jìn)程所調(diào)用管程被請求和釋放資源的進(jìn)程所調(diào)用共同數(shù)據(jù)一組操作過程初始化代碼進(jìn)入隊列進(jìn)程管理進(jìn)程管理362.7 線程線程n線程的基本概念線程的基本概念n線程間的同步和通信線程間的同步和通信n內(nèi)核支持線程和用戶級線程內(nèi)核支持線程和用戶級線程n線

26、程控制線程控制l20世紀(jì)60年代提出進(jìn)程后，OS中都是以進(jìn)程進(jìn)程作為擁有擁有資源和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位資源和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。l80年代中期，提出比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位-線程線程(Threads);好處：減少程序在并發(fā)執(zhí)行時減少程序在并發(fā)執(zhí)行時所付出的時空開銷，使所付出的時空開銷，使OSOS具有更好的并發(fā)性具有更好的并發(fā)性。進(jìn)程管理進(jìn)程管理37Comparied with 進(jìn)程進(jìn)程協(xié)同完成一個任務(wù)具體工作人員，多人共享相同空間（資源）進(jìn)程進(jìn)程線程線程進(jìn)程管理進(jìn)程管理381. 線程的引入線程的引入資源擁有者資源擁有者線程線程進(jìn)程的兩個基本屬性進(jìn)程的兩個基本屬性: :進(jìn)程是一個可進(jìn)程是一

27、個可擁有資源擁有資源的獨(dú)立單位；的獨(dú)立單位；進(jìn)程同時又是一個可獨(dú)立進(jìn)程同時又是一個可獨(dú)立調(diào)度和分派調(diào)度和分派的基本單位的基本單位P75P75進(jìn)程管理進(jìn)程管理39 如何能使多個程序更好地如何能使多個程序更好地并發(fā)執(zhí)行并發(fā)執(zhí)行同時又盡量同時又盡量減少系統(tǒng)減少系統(tǒng)的開銷的開銷? ? 是追求的是追求的重要目標(biāo)。重要目標(biāo)。解決方法解決方法：搬房子累，搬人！好處好處: : (1)對于作為調(diào)度和分派的基本單位，不擁有資源，可“輕裝上陣”；(2)對擁有資源的基本單位，又不對其進(jìn)行頻繁的切換。進(jìn)程管理進(jìn)程管理40在這個想法下，誕生了在這個想法下，誕生了“線程線程” 先把先把“房子房子+ +人人”區(qū)分開：區(qū)分開：

28、將進(jìn)程的兩個屬性分開，由操作系統(tǒng)將進(jìn)程的兩個屬性分開，由操作系統(tǒng)分開處理分開處理。進(jìn)程管理進(jìn)程管理41進(jìn)程進(jìn)程線程線程調(diào)度獨(dú)立調(diào)度、分派的基本單位獨(dú)立調(diào)度、分派的基本單位線程為調(diào)度分派的基本單位的基本單位進(jìn)程為擁有資源的基本單位的基本單位并發(fā)性僅進(jìn)程間可以并發(fā)執(zhí)行僅進(jìn)程間可以并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程和線程都可以并發(fā)執(zhí)行進(jìn)程和線程都可以并發(fā)執(zhí)行擁有資源擁有資源的獨(dú)立單位擁有資源的獨(dú)立單位不擁有系統(tǒng)資源，但可以訪問不擁有系統(tǒng)資源，但可以訪問其隸屬進(jìn)程的資源其隸屬進(jìn)程的資源系統(tǒng)開銷創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時開銷較大創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時開銷較大切換代價高切換代價高線程創(chuàng)建或撤消時開銷很小線程創(chuàng)建或撤消時開銷很小切換代價低切換代

29、價低支持多處理機(jī)若進(jìn)程只有一個線程，則只若進(jìn)程只有一個線程，則只能運(yùn)行在一個處理機(jī)上能運(yùn)行在一個處理機(jī)上若進(jìn)程擁有多個線程，則可分若進(jìn)程擁有多個線程，則可分散到多個處理機(jī)上運(yùn)行散到多個處理機(jī)上運(yùn)行2.7.2. 線程和進(jìn)程的比較線程和進(jìn)程的比較P76P76進(jìn)程管理進(jìn)程管理421.1.輕型實(shí)體輕型實(shí)體 基本上不擁有系統(tǒng)資源，只有一點(diǎn)必不可少的、能保證獨(dú)立運(yùn)行的資源2.2.獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位 線程是能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位，因而也是獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。線程很“輕”，線程的切換非常迅速線程的切換非常迅速/ /開銷小開銷小。3.3.可并發(fā)執(zhí)行可并發(fā)執(zhí)行 一個進(jìn)程中的多個線

30、程間可并發(fā)執(zhí)行；不同進(jìn)程中的線程也能并發(fā)執(zhí)行。4.4.共享進(jìn)程資源共享進(jìn)程資源 同一進(jìn)程中的各個線程，可以共享該進(jìn)程所擁有的資源（有相同的地址空間；訪問進(jìn)程所擁有文件、定時器、信號量機(jī)構(gòu)等）。 線程的特點(diǎn)線程的特點(diǎn)進(jìn)程管理進(jìn)程管理43用戶棧用戶棧系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧PCB數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序單線程進(jìn)程單線程進(jìn)程寄存器寄存器PCB數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序多線程進(jìn)程多線程進(jìn)程用戶棧用戶棧系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 TCB寄存器寄存器用戶棧用戶棧系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 TCB寄存器寄存器用戶棧用戶棧系統(tǒng)棧系統(tǒng)棧 TCB寄存器寄存器線程線程1線程線程2線程線程3進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程進(jìn)程管理進(jìn)程管理44多線程和進(jìn)程模型多線程和進(jìn)程模型 多線程是指操作系統(tǒng)

31、支持在一個進(jìn)程中執(zhí)行多個線程的能多線程是指操作系統(tǒng)支持在一個進(jìn)程中執(zhí)行多個線程的能力力。每個進(jìn)程中只有一個線程在執(zhí)行，稱作單線程方法（MS-DOS）;WINDOWS 2000/XP、SOLARIS、 LINUX等支持多線程的多進(jìn)程。在多線程的環(huán)境中，進(jìn)程被定義成資源分配的實(shí)體和保護(hù)的實(shí)體。進(jìn)程管理進(jìn)程管理45l狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù) 每個線程都可以用線程標(biāo)識符和一組狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行描述。 寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài) 堆棧堆棧 運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài) 優(yōu)先級優(yōu)先級 專有存儲器專有存儲器 信號屏蔽信號屏蔽l線程運(yùn)行狀態(tài)線程運(yùn)行狀態(tài) 線程間也存在著共享資源和相互合作的制約關(guān)系，在運(yùn)行時也具有間斷性。 三種基本狀態(tài)：執(zhí)行狀

32、態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)執(zhí)行狀態(tài)、就緒狀態(tài)、阻塞狀態(tài)l線程的創(chuàng)建和終止線程的創(chuàng)建和終止應(yīng)用程序啟動時，通常僅有一個線程在執(zhí)行，該線程被稱為“初始化線程初始化線程”。它可根據(jù)需要再去創(chuàng)建若干個線程。2.7.3. 線程的狀態(tài)和線程的狀態(tài)和TCBTCB進(jìn)程管理進(jìn)程管理461.1.線程標(biāo)識符線程標(biāo)識符 每個線程有唯一標(biāo)示符2.2.一組寄存器一組寄存器 保存程序計數(shù)器PC。3.3.線程運(yùn)行狀態(tài)線程運(yùn)行狀態(tài) 三種基本狀態(tài)4.4.優(yōu)先級、線程專用存儲區(qū)、信號屏蔽、堆棧指針。優(yōu)先級、線程專用存儲區(qū)、信號屏蔽、堆棧指針。 2. 線程控制塊線程控制塊TCBP78P78進(jìn)程管理進(jìn)程管理47在多線程在多線程OSOS中，

33、進(jìn)程是作為中，進(jìn)程是作為擁有系統(tǒng)資源的基本單位擁有系統(tǒng)資源的基本單位，通，通常的進(jìn)程都包含常的進(jìn)程都包含多個線程多個線程并為它們提供資源，但進(jìn)程不再作為并為它們提供資源，但進(jìn)程不再作為一個一個執(zhí)行的實(shí)體執(zhí)行的實(shí)體。多線程。多線程OSOS中的進(jìn)程有以下屬性：中的進(jìn)程有以下屬性：l擁有系統(tǒng)分配的資源單位擁有系統(tǒng)分配的資源單位 用戶地址空間、進(jìn)程間和線程間同步和通信的機(jī)制、打開的文件和已申請到的I/O設(shè)備、地址映射表等。l可包括多個線程可包括多個線程 可含有多個相對獨(dú)立的線程，但至少要有一個線程；進(jìn)程為線程提供資源及運(yùn)行環(huán)境，使線程可并發(fā)執(zhí)行。 l進(jìn)程不是一個可執(zhí)行的實(shí)體進(jìn)程不是一個可執(zhí)行的實(shí)體 進(jìn)

34、程仍有與執(zhí)行相關(guān)的狀態(tài)。進(jìn)程 “執(zhí)行”狀態(tài)實(shí)際上是指該進(jìn)程中的某線程正在執(zhí)行。進(jìn)程掛起時，該進(jìn)程中的所有線程也都將被掛起；進(jìn)程激活時，屬于該進(jìn)程的所有線程也都將被激活。 3多線程多線程OSOS中的進(jìn)程中的進(jìn)程進(jìn)程管理進(jìn)程管理48線程的實(shí)現(xiàn)線程的實(shí)現(xiàn)n多線程若想有條不紊地運(yùn)行，系統(tǒng)必提供用于實(shí)多線程若想有條不紊地運(yùn)行，系統(tǒng)必提供用于實(shí)現(xiàn)線程同步和通信的機(jī)制?，F(xiàn)線程同步和通信的機(jī)制。n為支持不同頻率的交互操作、不同程度的并行性，為支持不同頻率的交互操作、不同程度的并行性，常需提供多種同步機(jī)制，如常需提供多種同步機(jī)制，如互斥鎖、條件變量、互斥鎖、條件變量、信號量以及多讀、單寫鎖信號量以及多讀、單寫鎖

35、等等1 1互斥鎖互斥鎖( (mutex)mutex)2 2條件變量條件變量3 3信號量機(jī)制信號量機(jī)制（私用信號量、公用信號量）進(jìn)程管理進(jìn)程管理491互斥鎖互斥鎖(mutex) 互斥鎖是一種用于實(shí)現(xiàn)線程間對資互斥鎖是一種用于實(shí)現(xiàn)線程間對資源源互斥訪問互斥訪問的機(jī)制。的機(jī)制。操作互斥鎖時空開銷低，因而較適合于高頻度使用的關(guān)鍵共享數(shù)據(jù)和高頻度使用的關(guān)鍵共享數(shù)據(jù)和程序段程序段?；コ怄i可以有兩種狀態(tài)，即開鎖開鎖(unlock)和關(guān)鎖關(guān)鎖(lock)狀狀態(tài)態(tài)。相應(yīng)地，可用兩條命令(函數(shù))對互斥鎖進(jìn)行操作。其中的關(guān)鎖lock操作用于將mutex關(guān)上，開鎖操作unlock則用于打開mutex。 進(jìn)程管理進(jìn)程管

36、理50 內(nèi)核支持內(nèi)核支持線程和線程和用戶級用戶級線程線程l線程在各系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式不完全相同不完全相同。l一些數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（如infomix），實(shí)現(xiàn)的是用戶級線程l如Macintosh、Windows 和 0S/2操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是內(nèi)核支持線程；lSolaris操作系統(tǒng)（ UNIX操作系統(tǒng)的衍生版本之一）同時實(shí)現(xiàn)了這兩種類型的線程。Kernel Supported ThreadsUser Lever ThreadsP79P79進(jìn)程管理進(jìn)程管理51內(nèi)核支持內(nèi)核支持線程和線程和用戶級用戶級線程線程Simlar to :國家統(tǒng)一分配?！罢o錢；快，多生孩子！孩子越多，咱家錢的總數(shù)越多?！盨imila

37、r to : 已分發(fā)到單位（進(jìn)程），再由單位分配給個人（線程）。“咱家就那么點(diǎn)有限的錢，多生娃，難養(yǎng)活”線程越多，線程越多，速度越快速度越快線程越多，線程越多，速度不變速度不變進(jìn)程管理進(jìn)程管理52依賴于依賴于OSOS核心核心，由內(nèi)核的內(nèi)部需求進(jìn)行創(chuàng)建和撤銷，用來執(zhí)行一個指定的函數(shù):n內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程和線程的上下文信息；n線程切換由內(nèi)核完成；n一個線程阻塞，不會影響其他線程的運(yùn)行。n時間片分配給線程，所以多線程的進(jìn)程獲得更多CPU時間。1. 內(nèi)核支持線程內(nèi)核支持線程(Kernel Supported Threads)進(jìn)程管理進(jìn)程管理53KSTKST線程實(shí)現(xiàn)的線程實(shí)現(xiàn)的4 4優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): :1)在多處理器系統(tǒng)中，內(nèi)核能夠同時調(diào)度同一進(jìn)程中多個線程并行執(zhí)行；2)如果進(jìn)程中的一個線程被阻塞了，內(nèi)核可以調(diào)度該進(jìn)程中的其它線程占有處理器運(yùn)行，也可以運(yùn)行其它