考研王道操作系統(tǒng)單科

第一章操作系統(tǒng)概述

1.1、操作系統(tǒng)的概念、特征、功能和

結(jié)構(gòu)

1、操作系統(tǒng)的概念

在信息化時(shí)代，軟件被稱為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂。而作為

軟件核心的操作系統(tǒng)，已經(jīng)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)密不可分、融

為一體。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自下而上可粗分為四個(gè)部分：硬件、操

作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶。操作系統(tǒng)管理各種計(jì)算機(jī)硬件,

為應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)，并充當(dāng)計(jì)算機(jī)硬件和用戶的中介。

硬件，如中央處理器、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等，提供了

基本的計(jì)算資源。應(yīng)用程序，如字處理程序、電子制表軟件、

編譯器、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器等，規(guī)定了按何種方式使用這些資源來

解決用戶的計(jì)算問題。操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)各用戶的應(yīng)用程

序?qū)τ布氖褂谩?/p>

綜上所述，操作系統(tǒng)是指控制和管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

硬件和軟件資源，并合理的組織調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作和資源的

分配，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境集合。計(jì)

算機(jī)操作系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)研究和應(yīng)用的發(fā)展逐步形成并

發(fā)展起來的，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件。

2、操作系統(tǒng)的特征

操作系統(tǒng)是一種系統(tǒng)軟件，但與其他的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用

軟件有很大的不同，他有自己的特殊性即基本特征，操作系

統(tǒng)的基本特征包括并發(fā)、共享、虛擬和異步。這些概念對理

解和掌握操作系統(tǒng)的核心至關(guān)重要，將一直貫穿于各章節(jié)中。

(1)并發(fā)

并發(fā)是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生，在多

道程序環(huán)境下，一段時(shí)間內(nèi)宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)執(zhí)行，

而在同一時(shí)刻，單處理器環(huán)境下實(shí)際上只有一個(gè)程序在執(zhí)行,

故微觀上這些程序還是在分時(shí)的交替進(jìn)行。操作系統(tǒng)的并發(fā)

是通過分時(shí)得以實(shí)現(xiàn)的。操作系統(tǒng)的并發(fā)性是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

中同時(shí)存在多個(gè)運(yùn)行著的程序，因此它具有處理和調(diào)度多個(gè)

程序同時(shí)執(zhí)行的能力。在操作系統(tǒng)中，引入進(jìn)程的目的實(shí)施

程序能并發(fā)執(zhí)行。

(2)共享

資源共享即共享，是指系統(tǒng)中的資源可供內(nèi)存中多個(gè)并

發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程共同使用。共享可以分為以下兩種資源共享方

式。

1）互斥共享方式

系統(tǒng)中的某些資源，，如打印機(jī)、磁帶機(jī)，雖然他們可

以提供給多個(gè)進(jìn)程使用，但為使所打印的內(nèi)容不致造成混淆,

應(yīng)規(guī)定在同一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程方位該資源。

為此，當(dāng)進(jìn)程a訪問某資源時(shí)，必須先提出請求，如果

此時(shí)該資源空閑，系統(tǒng)便可將之分配給進(jìn)程a使用，伺候若

再有其他進(jìn)程也要訪問該資源（只要a未用完）則必須等待。

僅當(dāng)進(jìn)程a訪問完并釋放該資源后，才允許另一進(jìn)城對該資

源進(jìn)行訪問。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的大所屬物理設(shè)備，以及某些軟

件中所用的棧、變量和表格，都屬于臨界資源，他們都要求

被互斥的共享。

2）同時(shí)訪問方式

系統(tǒng)中還有一種資源，允許在一段時(shí)間內(nèi)由多個(gè)進(jìn)程

“同時(shí)”對它進(jìn)行訪問。這里所謂的“同時(shí)”往往是宏觀上

的，而在微觀上，這些進(jìn)程可能是交替的對該資源進(jìn)行訪問

即“分時(shí)共享二典型的可供多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的資源是磁

盤設(shè)備，一些用重入碼編寫的文件也可以被“同時(shí)”共享，

即若干個(gè)用戶同時(shí)訪問該文件。

并發(fā)和共享是操作系統(tǒng)兩個(gè)最基本的特征，這兩者之間

又是互為存在條件的：1資源共享是以程序的并發(fā)為條件的，

若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，則自然不存在資源共享的問題;

2若系統(tǒng)不能對資源共享實(shí)施有效地管理，也必將影響到程

序的并發(fā)執(zhí)行，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。

(3)虛擬

虛擬是指把一個(gè)物理上的實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯上的對

應(yīng)物。物理實(shí)體是實(shí)的，即實(shí)際存在的；而后者是虛的，是

用戶感覺上的事物。相應(yīng)的，用于實(shí)現(xiàn)虛擬的技術(shù)，成為虛

擬技術(shù)。在操作系統(tǒng)中利用了多種虛擬技術(shù)，分別用來實(shí)現(xiàn)

虛擬處理器、虛擬內(nèi)存和虛擬外部設(shè)備。

在虛擬處理器技術(shù)中，是通過多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)，讓多

道程序并發(fā)執(zhí)行的方法，來分時(shí)使用一臺(tái)處理器的。此時(shí)，

雖然只有一臺(tái)處理器，但他能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，是每個(gè)

終端用戶都認(rèn)為是有一個(gè)中央處理器在為他服務(wù)。利用多道

程序設(shè)計(jì)技術(shù)，把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU,

稱為虛擬處理器。

類似的，可以通過虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)，將一臺(tái)機(jī)器的物理

存儲(chǔ)器變?yōu)樘摂M存儲(chǔ)器，一邊從邏輯上來擴(kuò)充存儲(chǔ)器的容量。

當(dāng)然，這是用戶所感覺到的內(nèi)存容量是虛的，我們把用戶

所發(fā)哦絕倒的存儲(chǔ)器程序虛擬存儲(chǔ)器。

還可以通過虛擬設(shè)備技術(shù)，將一臺(tái)物理10設(shè)備虛擬為

多臺(tái)邏輯上的10設(shè)備，并允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的

10設(shè)備，這樣便可使原來僅允許在一段時(shí)間內(nèi)有一個(gè)用戶訪

問的設(shè)備，變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問的共享

設(shè)備。

因此操作系統(tǒng)的虛擬技術(shù)可歸納為：時(shí)分復(fù)用技術(shù)和空

分復(fù)用技術(shù)。

(4)異步

在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，但由于資

源有限，進(jìn)程的執(zhí)行不是一貫到底，而是走走停停，以不可

預(yù)知的速度向前推進(jìn)，這就是進(jìn)程的異步性。

異步性使得操作系統(tǒng)運(yùn)行在一種隨機(jī)的環(huán)境下，可能導(dǎo)

致進(jìn)程產(chǎn)生于時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤。但是只要運(yùn)行環(huán)境相同，操

作系統(tǒng)必須保證多次運(yùn)行進(jìn)程，都獲得相同的結(jié)果。

3、操作系統(tǒng)的目標(biāo)和功能

為了給多道程序提供良好的運(yùn)行環(huán)境，操作系統(tǒng)應(yīng)具有

幾方面的功能：處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理和文件

管理。為了方便用戶使用操作系統(tǒng)，還必須向用戶提供接口。

同時(shí)操作系統(tǒng)可用來擴(kuò)充機(jī)器，以提供更方便的服務(wù)、更高

的資源利用率。

（1）操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的管理者

1）處理器管理

在多道程序環(huán)境下，處理器的分配和運(yùn)行都是以進(jìn)程為

基本單位，因而對處理器的管理可歸結(jié)為對進(jìn)程的管理。進(jìn)

程管理的主要功能有：進(jìn)程控制，進(jìn)程同步，進(jìn)程通信，死

鎖處理，處理器調(diào)度等。

2）存儲(chǔ)器管理

存儲(chǔ)器管理的主要任務(wù)是位多通道程序的運(yùn)行提供良

好的環(huán)境，方便用戶使用以及提高內(nèi)存的利用率。因此，存

儲(chǔ)器管理應(yīng)具備：內(nèi)存分配、地址映射、內(nèi)存保護(hù)與共享和

內(nèi)存擴(kuò)充等。

3）文件管理

文件管理主要包括文件的存儲(chǔ)空間管理、目錄管理及文

件讀寫管理及保護(hù)等。

4）設(shè)備管理

設(shè)備管理的主要任務(wù)就是完成用戶的10請求，方便用

戶使用各種設(shè)備，并提高設(shè)備的利用率，主要包括混充管理、

設(shè)備分配、設(shè)備處理和虛擬設(shè)備等功能。

（2）操作系統(tǒng)作為用戶與計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的接

口

為方便用戶使用操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)還提供了用戶接口。

操作系統(tǒng)提供的接口主要分為兩類：一類是命令接口，用戶

利用這些操作命令來組織和控制作業(yè)的執(zhí)行；另一類是程序

接口，編程人員可以使用它們來請求操作系統(tǒng)服務(wù)。

1）命令接口

使用命令接口進(jìn)行作業(yè)控制的主要方式有兩種：按作業(yè)

控制方式的不同，可以將命令接口分為聯(lián)機(jī)命令接口和脫機(jī)

命令接口。

2）程序接口

程序接口由一組系統(tǒng)調(diào)用命令組成。用戶通過在程序中

使用這些系統(tǒng)調(diào)用命令拉i請求操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。用戶

在程序中可以直接使用這組系統(tǒng)調(diào)用命令向系統(tǒng)提出各種

服務(wù)請求，如使用各種外部設(shè)備，進(jìn)行有關(guān)磁盤文件的操作，

申請分配和收回內(nèi)存以及其他各種控制要求。

所謂系統(tǒng)調(diào)用就是用戶在程序中調(diào)用操作系統(tǒng)所提供

的一些子功能。具體的講，系統(tǒng)調(diào)用就是通過系統(tǒng)調(diào)用命令

中斷現(xiàn)行程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行響應(yīng)的子程序，以完成特定的系

統(tǒng)功能；系統(tǒng)調(diào)用完成后，返回程序的斷點(diǎn)以繼續(xù)執(zhí)行。

系統(tǒng)調(diào)用命令是作為擴(kuò)充機(jī)器命令提供的，目的是增強(qiáng)

系統(tǒng)功能，方便用戶使用。而起通過系統(tǒng)調(diào)用的方式來使用

系統(tǒng)功能，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，防止用戶隨意

更改或訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或命令。因此，在一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，

把系統(tǒng)調(diào)用命令成為廣義指令。廣義指令與機(jī)器指令在性質(zhì)

上是不同的，機(jī)器指令使用硬件電路直接實(shí)現(xiàn)的，而廣義命

令則是由操作系統(tǒng)提供的一個(gè)或多個(gè)子程序模塊實(shí)現(xiàn)的。顯

然，系統(tǒng)調(diào)用屬于核心態(tài)指令。

(3)操作系統(tǒng)做擴(kuò)充機(jī)器

沒有任何軟件支持的計(jì)算機(jī)成為裸機(jī)，它僅構(gòu)成計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而實(shí)際呈現(xiàn)在用戶面前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是經(jīng)

過若干層軟件改造的計(jì)算機(jī)。裸機(jī)在最里層，他的外面是操

作系統(tǒng)，有操作系統(tǒng)提供的資源管理功能和方便用戶的各種

服務(wù)功能，將裸機(jī)改造成功能更強(qiáng)、使用更方便的機(jī)器，通

常把覆蓋了軟件的機(jī)器成為擴(kuò)充機(jī)器，又稱之為虛擬機(jī)。

4操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

像現(xiàn)在操作系統(tǒng)這樣龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，為了能正常工

作且容易修改和維護(hù)，在實(shí)現(xiàn)前必須認(rèn)真設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)的結(jié)

構(gòu)。操作系統(tǒng)發(fā)展至今，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分成以下幾類：

(1)簡單結(jié)構(gòu)。

(2)模塊化結(jié)構(gòu)

(3)分層式結(jié)構(gòu)

(4)微內(nèi)核結(jié)構(gòu)

1.2、操作系統(tǒng)的發(fā)展與分類

1、手工操作階段

2、脫機(jī)輸入輸出階段

3、批處理階段

批處理技術(shù)是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對一批作業(yè)自動(dòng)進(jìn)行處理

的一種技術(shù)。批處理階段的特點(diǎn)是：用戶不用與計(jì)算機(jī)直接

打交道，而是通過專門的操作員來完成作業(yè)的輸入輸出。隨

著外圍設(shè)備的迅速發(fā)展，后來又出現(xiàn)了脫機(jī)批處理系統(tǒng)，即

主機(jī)直接與磁盤通信。

(1)單道批處理系統(tǒng)

主要特點(diǎn)：自動(dòng)性、順序性、單道性。

(2)多道批處理系統(tǒng)

多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)是指在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中同時(shí)存放幾道

相互獨(dú)立的程序，它們在管理程序的控制下相互交替的運(yùn)行。

其特征是：多道，宏觀上并行，微觀上串行。

4、分時(shí)操作系統(tǒng)

所謂分時(shí)系統(tǒng)就是把處理器的運(yùn)行時(shí)間分成很短的時(shí)

間片，按時(shí)間片輪流把處理器分配給各聯(lián)機(jī)作業(yè)使用。若某

個(gè)作業(yè)再分配給他的時(shí)間片內(nèi)不能完成其計(jì)算，則改作業(yè)暫

時(shí)停止運(yùn)行，把處理器讓給其他作業(yè)使用，等待下一輪再繼

續(xù)運(yùn)行，由于計(jì)算機(jī)速度很快，作業(yè)運(yùn)行輪轉(zhuǎn)的很快，給每

個(gè)用戶的感覺好像是自己獨(dú)占一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

分時(shí)操作系統(tǒng)十多個(gè)用戶通過終端同事共享一臺(tái)主機(jī),

這些終端連接在主機(jī)上，用戶可以同時(shí)與主機(jī)進(jìn)行交互操作

而不互相干擾。所以，實(shí)現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)最關(guān)鍵的問題，是如何

使用戶能與自己的作業(yè)進(jìn)行交互，即當(dāng)用戶在自己的中斷上

輸入命令時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)接收并及時(shí)處理該命令，再將結(jié)

果返回用戶。分時(shí)系統(tǒng)也是支持多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，但它

不同于多道批處理系統(tǒng)。多道批處理是實(shí)現(xiàn)作業(yè)自動(dòng)控制而

無需人工干預(yù)的系統(tǒng)，而分時(shí)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的系統(tǒng),

這使得分時(shí)系統(tǒng)具有與批處理系統(tǒng)不同的特征，其主要特征

如下：

同時(shí)性，交互性，獨(dú)立性，及時(shí)性。

5、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

實(shí)時(shí)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性和可靠性。

6、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

7、個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

1.3、操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

1、操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通常CPU執(zhí)行兩種不同性質(zhì)的程序，一

種是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序；另一種是用戶自編程序或系統(tǒng)外城

的應(yīng)用程序。對操作系統(tǒng)而言，這兩種程序的作用不同，前

者是后者的管理者和控制者，因此“管理程序”要執(zhí)行一些

特權(quán)指令，而“被管理程序”出于安全性考慮，不能執(zhí)行這

些指令。所謂特權(quán)指令，是指計(jì)算集中不允許用戶直接使用

的指令，如10指令、置中斷指令。

操作系統(tǒng)在具體實(shí)現(xiàn)上劃分了用戶態(tài)和核心態(tài)，以嚴(yán)格

區(qū)分兩種類程序。

一些與硬件關(guān)聯(lián)交緊密的模塊，諸如時(shí)鐘管理程序、中

斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等處于最底層。其次是運(yùn)行頻率

較高的程序，諸如金城關(guān)里、存儲(chǔ)器管理和設(shè)備管理等。這

兩部分內(nèi)容構(gòu)成了操作系統(tǒng)的內(nèi)核。這部分內(nèi)容的指令操作

工作在核心態(tài)。

內(nèi)核是計(jì)算機(jī)上配置的最底層軟件，是計(jì)算機(jī)功能的眼

神。不同系統(tǒng)對內(nèi)核的定義稍有區(qū)別，大多數(shù)操作系統(tǒng)內(nèi)核

包括四個(gè)方面的內(nèi)容。

(1)時(shí)鐘管理

在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備中，時(shí)鐘是最關(guān)鍵的設(shè)備。時(shí)鐘的第

一功能是計(jì)時(shí)，操作系統(tǒng)需要通過時(shí)鐘管理，向用戶提供標(biāo)

準(zhǔn)的系統(tǒng)時(shí)間。另外，通過時(shí)鐘中斷的管理，可以實(shí)現(xiàn)京城

的切換。諸如：在分時(shí)操作系統(tǒng)中，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的

實(shí)現(xiàn)；在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，按截止時(shí)間控制運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)；在批處

理系統(tǒng)中，通過時(shí)鐘管理來衡量一個(gè)作業(yè)的運(yùn)行程度等。因

此，系統(tǒng)管理的方方面面無不依賴于它。

(2)中斷機(jī)制

引入中斷技術(shù)的初衷是提高多道程序運(yùn)行環(huán)境中CPU的

利用率，而且主要是針對外部設(shè)備的。后來的到發(fā)展，形成

了多種類等，成為操作系統(tǒng)各項(xiàng)操作的基礎(chǔ)。例如鍵盤或鼠

標(biāo)信息的輸入、進(jìn)程的管理和調(diào)度、系統(tǒng)功能的調(diào)用、設(shè)備

驅(qū)動(dòng)、文件訪問等，無不依賴于中斷機(jī)制?？梢哉f，現(xiàn)代計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)是靠中斷驅(qū)動(dòng)的軟件。

(3)原語

按層次結(jié)構(gòu)涉及的操作系統(tǒng)，底層必然是一些可被調(diào)用

的公用小程序，他們各自完成一個(gè)規(guī)定的操作。其特點(diǎn)是:

1.他們處于操作系統(tǒng)的最底層，是最接近硬件的部分。2.這

些程序的運(yùn)行具有原子性一一其操作只能一起合成。3.這些

程序的運(yùn)行時(shí)間都較短，而且調(diào)用頻繁。

通常把具有這些特點(diǎn)的程序成為原語。定義源于的直接

方法是關(guān)閉中斷，讓她的所有動(dòng)作不可分割的進(jìn)行完再打開

中斷。

系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、CPU切換、進(jìn)程通信等功能中的部

分操作都可以定義為原語，是他們呢成為內(nèi)核的組成部分。

(4)系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及處理

系統(tǒng)中用來登記狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很多。比如作業(yè)控

制塊、進(jìn)程控制塊、設(shè)備控制塊、各類鏈表、消息隊(duì)列、緩

沖區(qū)、空閑區(qū)登記表、內(nèi)存分配表等。為了實(shí)現(xiàn)有效地管理，

系統(tǒng)需要一些基本的操作，常見的操作有以下三種：

1)進(jìn)程管理：進(jìn)程狀態(tài)管理、進(jìn)程調(diào)度和分配、創(chuàng)建與

撤掉進(jìn)程控制塊的隊(duì)列維護(hù)操作等。

2)存儲(chǔ)器管理：存儲(chǔ)器的空間分配和回收管理、內(nèi)存信

息保護(hù)程序、代碼對換程序等。

3)設(shè)備管理：緩沖區(qū)管理、設(shè)備分配和回收等。

從上述內(nèi)容可以了解，核心態(tài)指令實(shí)際上包括系統(tǒng)調(diào)用

類指令和一些針對時(shí)鐘、中斷和原語的操作指令。

2、中斷和異常的概念

在操作系統(tǒng)中引入核心態(tài)和用戶態(tài)這兩匯總工作狀態(tài)

后，就需要考慮這兩種狀態(tài)之間如何切換。操作系統(tǒng)內(nèi)核工

作在核心態(tài)，而用戶程序工作在用戶態(tài)。但系統(tǒng)不允許用戶

程序?qū)崿F(xiàn)核心態(tài)的功能，而它們又必須使用這些功能。

中斷(interruption)也成為外中斷，指來自CPU執(zhí)行指

令以外的事件發(fā)生，如設(shè)備發(fā)出的10結(jié)束中斷，表示設(shè)備

輸入輸出處理已經(jīng)完成，希望處理器能夠像設(shè)備發(fā)出下一個(gè)

輸入輸出請求，同事讓王成輸入輸出后的程序繼續(xù)進(jìn)行。時(shí)

鐘中斷，表示一個(gè)固定的事件篇已到，讓處理器處理計(jì)時(shí)、

啟動(dòng)定時(shí)運(yùn)行的任務(wù)。這一類中斷通常是與當(dāng)前運(yùn)行的程序

無關(guān)。中斷可細(xì)分為硬中斷和軟中斷。硬中斷是硬件產(chǎn)生的;

軟中斷是軟件產(chǎn)生的。

異常(Exception)也成為內(nèi)中斷、例外或陷入。指源自

CPU執(zhí)行指令內(nèi)部的時(shí)間，如程序的非法操作碼、地址越界、

算數(shù)一出、虛存系統(tǒng)的缺頁以及專門的陷入指令等引起的時(shí)

間。對異常的處理一般要依賴與當(dāng)前程序的運(yùn)行現(xiàn)場，而且

異常不能被屏蔽，一旦出現(xiàn)異常立即處理，而關(guān)于內(nèi)中斷和

外中斷的聯(lián)系與區(qū)別如下：

這樣，操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境可以理解為：用戶通過操作

系統(tǒng)運(yùn)行上層程序，而這個(gè)上層程序的運(yùn)行以來與操作系統(tǒng)

的底層管理程序提供服務(wù)支持，當(dāng)需要管理程序服務(wù)時(shí)，系

統(tǒng)則通過硬件中斷機(jī)制進(jìn)入核心態(tài)，運(yùn)行管理程序；另外也

可能是程序運(yùn)行出現(xiàn)異常情況，被動(dòng)的需要管理程序的服務(wù),

這是就通過異常處理來進(jìn)入核心態(tài)。當(dāng)管理程序運(yùn)行結(jié)束時(shí),

用戶程序要繼續(xù)進(jìn)行，則通過相應(yīng)保存程序現(xiàn)場推出中斷處

理程序或異常處理程序，返回?cái)帱c(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。在操作系統(tǒng)

這一層面上，我們關(guān)心的是系統(tǒng)核心態(tài)和用戶態(tài)的軟件實(shí)現(xiàn)

和切換，對于硬件層面的具體理解，可以結(jié)合“計(jì)算機(jī)組成

原理”課程中有關(guān)中斷的內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。

下面列舉一些由用戶態(tài)轉(zhuǎn)向核心態(tài)的例子：

1）用戶程序要求操作系統(tǒng)的服務(wù)，即系統(tǒng)服務(wù)。

2）發(fā)生一次中斷

3）用戶程序中產(chǎn)生了一個(gè)錯(cuò)誤狀態(tài)

4）用戶程序中企圖執(zhí)行一條特權(quán)指令

5）從核心態(tài)轉(zhuǎn)向用戶態(tài)由一條指令實(shí)現(xiàn)，這條指令也

是特權(quán)指令。一般情況是中斷返回指令。

注意，由用戶態(tài)進(jìn)入核心態(tài)，不僅僅是狀態(tài)需要切換，

而且，所使用的對戰(zhàn)也可能需要由用戶堆棧切換為系統(tǒng)對戰(zhàn),

但這個(gè)系統(tǒng)對戰(zhàn)也是屬于該進(jìn)程的。

1.4、本章疑難點(diǎn)

1.并行性與并發(fā)性的區(qū)別和聯(lián)系

并行性和并發(fā)性是既相似又有區(qū)別的兩個(gè)概念。并行性

是指兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)刻發(fā)生，并發(fā)性是指兩個(gè)或多

個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。

2.分時(shí)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)特征的比較

3.特權(quán)指令的工作機(jī)制

所謂特權(quán)指令是指有特殊權(quán)限的指令，由于這類指令的

全縣最大，如果使用不當(dāng)，就會(huì)皮懷系統(tǒng)或其他用戶信息。

為了保證系統(tǒng)安全，這類指令只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)

軟件，不直接提供給用戶使用，主要用于系統(tǒng)資源的分配和

管理，包括改變系統(tǒng)的工作方式，檢測用戶的訪問權(quán)限，修

改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表、頁表和完成人五的創(chuàng)建和切換等。

在某些用戶的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了統(tǒng)一管理各種外部設(shè)備，

輸入輸出指令也作為特權(quán)指令，不允許用戶直接使用。需要

輸入輸出操作時(shí)，必須通過系統(tǒng)調(diào)用，經(jīng)由操作系統(tǒng)完成。

特權(quán)指令那個(gè)必須在核心態(tài)之星，核心態(tài)又叫做特權(quán)態(tài)、系

統(tǒng)態(tài)。實(shí)際上，CPU在核心態(tài)的下可以執(zhí)行指令系統(tǒng)的全集。

為了防止用戶系統(tǒng)中使用特權(quán)指令，用戶態(tài)下只能使用

除特權(quán)指令以外的指令，核心態(tài)下可以使用全部指令。所以

把用戶程序放在用戶態(tài)下進(jìn)行，而操作系統(tǒng)中必須使用特權(quán)

指令的那部分程序在核心態(tài)下運(yùn)行，保證了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安

全可靠。從用戶態(tài)轉(zhuǎn)換為核心態(tài)的唯一途徑就是終端或異常。

4.系統(tǒng)調(diào)用產(chǎn)生的訪管中斷

程序員在編寫程序時(shí)，因要求操作系統(tǒng)提供服務(wù)而有意

識(shí)的使用“訪管指令”，從而導(dǎo)致程序中斷，這屬于一種自

愿性的中斷，所以又稱其為“訪管中斷”。“訪管”中斷是由

訪管指令產(chǎn)生，程序員可以使用訪管指令中設(shè)置參數(shù)，當(dāng)CPU

執(zhí)行到訪管指令那個(gè)時(shí)，將訪管指令中的操作數(shù)存入到主存

中的約定單元，然后產(chǎn)生訪管中斷，引出操作系統(tǒng)來處理訪

管中斷中的具體要求。這種利用訪管指令來實(shí)現(xiàn)的指令成為

廣義指令。當(dāng)初與用戶態(tài)的用戶程序使用訪管指令時(shí)，系統(tǒng)

根據(jù)該訪管指令的操作數(shù)執(zhí)行訪管中斷處理程序，訪管中斷

處理程序?qū)聪到y(tǒng)調(diào)用的操作數(shù)和參數(shù)轉(zhuǎn)到響應(yīng)的例行子

程序。完成服務(wù)功能后，退出中斷，返回到用戶程序斷點(diǎn)繼

續(xù)執(zhí)行。

第二章進(jìn)程管理

進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的核心內(nèi)容，也是每年必考的重點(diǎn)。

其中，進(jìn)程概念、進(jìn)程調(diào)度、信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步和互斥、

進(jìn)程死鎖等更是重中之重，要求熟練掌握。此外，需要注意

的是：本章除了選擇題外還很容易考察綜合題，在最近三年

的考研綜合題有兩道題考察了本章的知識(shí)點(diǎn)。其中信號(hào)量實(shí)

現(xiàn)進(jìn)程同步和互斥，進(jìn)程調(diào)度算法和銀行家算法都是可能出

現(xiàn)的綜合題考點(diǎn)，需要讀者多加注意。

2.1、進(jìn)程與線程

1、進(jìn)程的概念和特征

(1)進(jìn)程的概念

在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，此時(shí)他們

將失去封閉性，并具有間斷性和不可再現(xiàn)性的特征。為此引

入了進(jìn)程的概念，以便更好地描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行,

實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)行和共享性。為此引入了進(jìn)程的概念,

以便更好地描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的并

發(fā)性和共享性。

為了是參與并發(fā)執(zhí)行的程序能獨(dú)立的運(yùn)行，必須為之配

置一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱之為進(jìn)程控制塊(process

controlblock),系統(tǒng)利用PCB來描述進(jìn)程的基本情況和運(yùn)

行狀態(tài)，進(jìn)而控制和管理進(jìn)程。

相應(yīng)的，有程序段、相關(guān)數(shù)據(jù)段和PCB三部分構(gòu)成了進(jìn)

程映像（進(jìn)程實(shí)體）。所謂創(chuàng)建進(jìn)程，實(shí)質(zhì)上是創(chuàng)建進(jìn)程映

像中的PCB；而撤銷進(jìn)程，實(shí)質(zhì)上是撤銷進(jìn)程的PCBo指的

注意的是，進(jìn)程影響是靜態(tài)的，晉城市動(dòng)態(tài)的。

從不同的角度，進(jìn)程可以有不同的定義，比較經(jīng)典的定

義有：

1）進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程

2）進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理器上順序執(zhí)行時(shí)所發(fā)

生的活動(dòng)。

3）進(jìn)程是具有獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的

過程，他是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位。

在引入了進(jìn)程實(shí)體的概念后，我們可以吧傳統(tǒng)的操作系

統(tǒng)中的進(jìn)程定義為：”進(jìn)程是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過程，是系統(tǒng)

進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位”。

（2）進(jìn)程的特征

進(jìn)程是由多程序的并發(fā)執(zhí)行而引出的，他和程序是兩個(gè)

截然不同的概念。進(jìn)程的基本特征是對比單個(gè)程序的順序執(zhí)

行提出的，也是對進(jìn)程管理提出的基本要求。

1）動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行，他有著創(chuàng)建、活動(dòng)、

暫停、終止等過程，具有一定的生命周奇奇，是動(dòng)態(tài)

的產(chǎn)生、變化和消亡的。動(dòng)杰性是進(jìn)程最基本的特征。

2）并發(fā)性：至多個(gè)進(jìn)程實(shí)體，同存于內(nèi)存中，能在一段

時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行，并發(fā)性是進(jìn)程的重要特征，同時(shí)也

是操作系統(tǒng)的重要特征，引入進(jìn)程的目的就是為了是

程序能與去其他進(jìn)程的程序并發(fā)執(zhí)行，以提高資源利

用率。

3）獨(dú)立性：指進(jìn)程實(shí)體是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行、獨(dú)立獲得資

源和獨(dú)立接收調(diào)度的基本單位。范圍建立PCB的程序

都不能作為一個(gè)獨(dú)立的單位參與運(yùn)行。

4）異步性：由于進(jìn)程的相互制約，是進(jìn)程具有執(zhí)行的問

斷性。也即進(jìn)程按各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前

推進(jìn)。異步性會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行結(jié)果不可再現(xiàn)性，為此，在

操作系統(tǒng)中必須配置相應(yīng)的進(jìn)程同步機(jī)制。

5）結(jié)構(gòu)性：每個(gè)進(jìn)程都配置一個(gè)PCB對其進(jìn)行描述。從

結(jié)構(gòu)上來看，進(jìn)程實(shí)體是由程序段、數(shù)據(jù)段和進(jìn)程控

制端三部分組成的。

2、進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換

進(jìn)程在其生命周期內(nèi)，由于系統(tǒng)中個(gè)進(jìn)程之間的相互制

約關(guān)系以及系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境的變化，使的進(jìn)程的狀態(tài)也在不

斷地發(fā)生著變化。通常進(jìn)程有以下五種狀態(tài)。前三種是進(jìn)程

的基本狀態(tài)。

1）運(yùn)行狀態(tài)：進(jìn)程正在處理器上運(yùn)行。在單處理

器的環(huán)境下，每一時(shí)刻最多只有一個(gè)進(jìn)程處于

運(yùn)行狀態(tài)。

2)就緒狀態(tài)：進(jìn)程已處于準(zhǔn)備運(yùn)行的狀態(tài)，即進(jìn)

程獲得了除CPU之外的一切所需資源，一旦得

到處理器即可運(yùn)行。

3)阻塞狀態(tài)：又稱為等待狀態(tài)：進(jìn)程正在等待某

一事件而暫停運(yùn)行，如等待某資源為可用(不

包括處理器)，或等待輸入輸出的完成。及時(shí)處

理器空閑，該進(jìn)程也不能運(yùn)行。

4)創(chuàng)建狀態(tài)：進(jìn)程正在被創(chuàng)建，尚未轉(zhuǎn)到就緒狀

態(tài)。創(chuàng)建進(jìn)程通常需要多個(gè)步驟：首先申請一

個(gè)空白的PCB,并向PCB中填寫一些控制和管

理進(jìn)程的信息；然后由系統(tǒng)為該進(jìn)程分配運(yùn)行

時(shí)所必須的資源；最后把該進(jìn)程轉(zhuǎn)入到就緒狀

態(tài)。

5)結(jié)束狀態(tài)：進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失，這可能是

進(jìn)程正常結(jié)束或其他原因中斷退出運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)

程需要結(jié)束運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)首先必須置該進(jìn)程為

結(jié)束狀態(tài)，然后再進(jìn)一步處理資源釋放和回收

工作。

注意區(qū)別就緒狀態(tài)和等待狀態(tài)：就緒狀態(tài)是指進(jìn)程僅缺

少處理器，只要活得處理器資源就立即執(zhí)行；而等待狀態(tài)是

指進(jìn)程需要其他資源或等待某一事件，及時(shí)處理器空閑也不

能運(yùn)行。

3、進(jìn)程控制

進(jìn)程控制的主要功能是對系統(tǒng)中所有進(jìn)程實(shí)施有效地

管理，她具有創(chuàng)建新進(jìn)程、撤銷已有進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)

換等功能。在操作系統(tǒng)中，一般把進(jìn)程控制用的程序段成為

原語，原語的特點(diǎn)是執(zhí)行期間不允許中斷，他是一個(gè)不可分

割的基本單位。

（1）進(jìn)程的穿件

允許一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建另一個(gè)進(jìn)程。

操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程的過程如下（創(chuàng)建原語）：

1）為新進(jìn)程分配一個(gè)為我一個(gè)進(jìn)程標(biāo)示號(hào)，并申請一個(gè)

空白的PCB。

2）為進(jìn)程分配資源，為新進(jìn)程的程序和數(shù)據(jù)，以及用戶

占分配必要的空間。

3）初始化PCB,主要包括初始化標(biāo)識(shí)信息、初始化處理

器狀態(tài)信息和初始化處理器控制信息，以及設(shè)置進(jìn)程

的空閑及。

4）如果進(jìn)程就緒隊(duì)列能夠接納新進(jìn)程，就將新進(jìn)程插入

到就緒隊(duì)列，等待被調(diào)度運(yùn)行。

（2）進(jìn)程的終止

引起進(jìn)程終止的時(shí)間主要有：正常結(jié)束、表示進(jìn)程的任

務(wù)已經(jīng)完成和準(zhǔn)備退出運(yùn)行。異常結(jié)束是指進(jìn)程在運(yùn)行時(shí),

發(fā)生了某種異常事件，是程序無法繼續(xù)運(yùn)行，如：存儲(chǔ)區(qū)越

界、保護(hù)措、非法指令、特權(quán)指令錯(cuò)、10故障等。外界干預(yù)

是指進(jìn)程外界的請求而終止，如操作員或操作系統(tǒng)干預(yù)、父

進(jìn)程請求和父進(jìn)程終止。

操作系統(tǒng)終止進(jìn)程的過程如下：（撤消原語）

1）根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)示符，檢索PCB,從中讀出該進(jìn)

程的狀態(tài)。

2）若被終止進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)，立即終止該進(jìn)程的執(zhí)行,

將處理器資源分配給其他進(jìn)程。

3）若該進(jìn)程還有子進(jìn)程，則應(yīng)將其所有子進(jìn)程終止。

4）將該進(jìn)程所擁有的資源、或歸還給父進(jìn)程或歸還給操

作系統(tǒng)。

5）將該P(yáng)CB從所在隊(duì)列（鏈表）中刪除。

（3）進(jìn)程的阻塞和喚醒

正在執(zhí)行的進(jìn)程，猶豫期待的某些時(shí)間為發(fā)生，如請求

系統(tǒng)資源失敗、等待某種操作的完成、新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)或無

心工作可做等，則由系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行阻塞原語，使自己由運(yùn)行

狀態(tài)變?yōu)樽枞麪顟B(tài)?？梢姡M(jìn)程的阻塞是進(jìn)程自身的一種主

動(dòng)行為。

阻塞原語的執(zhí)行過程為：找到將要被阻射進(jìn)城的標(biāo)識(shí)號(hào)

對應(yīng)的PCB,如果該進(jìn)程為運(yùn)行狀態(tài)，則保護(hù)其現(xiàn)場，將其

狀態(tài)改為阻塞狀態(tài)，停止運(yùn)行，并把該P(yáng)CB插入響應(yīng)時(shí)間的

等待隊(duì)列中去；若為就緒狀態(tài)，則將其狀態(tài)改為阻塞狀態(tài),

把它溢出就緒隊(duì)列，插入到等待隊(duì)列中去。

當(dāng)阻塞進(jìn)程所期待的時(shí)間出現(xiàn)時(shí)，如它所啟動(dòng)的10操

作已完成或其所期待的數(shù)據(jù)已到達(dá)，則有關(guān)進(jìn)程(比如，提

供數(shù)據(jù)的進(jìn)程)，調(diào)用喚醒原語，將等待該事件的進(jìn)程喚醒，

喚醒原語的執(zhí)行過程是：在該事件的等待隊(duì)列中找到相應(yīng)進(jìn)

程的PCB,然后把該P(yáng)CB插入到就緒隊(duì)列中，等待調(diào)度程序

調(diào)度。

需要注意的是，Block原語和Wakeup原語是一對作用剛

好相反的原語，必須成對使用。Block原語是由被阻塞進(jìn)程

自我調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，而Wakeup原語則是由一個(gè)與被喚醒進(jìn)程

相合作或被其他相關(guān)進(jìn)程調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。

(4)進(jìn)程的切換

無論什么樣的進(jìn)程操作，都是在內(nèi)核執(zhí)行的。

進(jìn)程切換是指當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程被轉(zhuǎn)換到其他狀態(tài)

后，再回到運(yùn)行繼續(xù)執(zhí)行的過程，這個(gè)過程中，進(jìn)程的運(yùn)行

環(huán)境產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的變化。進(jìn)程切換的過程如下：

1）保存處理器上下文，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器。

2）更新PCB信息。

3）把進(jìn)程的PCB移入相應(yīng)的隊(duì)列，如就緒、在某時(shí)間阻

塞等隊(duì)列。

4）選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，并更新其PCBo更新內(nèi)存管理

的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

5）恢復(fù)處理器的上下文。

4、進(jìn)程的組織

進(jìn)程是操作系統(tǒng)的資源分配和獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。

（1）進(jìn)程控制塊

進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，操作系統(tǒng)就新建一個(gè)PCB結(jié)構(gòu)，它之后就

常駐內(nèi)存，任意時(shí)刻可以存取。在進(jìn)程結(jié)束時(shí)刪除。PCB是

進(jìn)程實(shí)體的一部分，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。

PCB主要包括：進(jìn)程描述信息、進(jìn)程控制和管理信息、

資源分配清單和處理器相關(guān)信息等。

在一個(gè)系統(tǒng)中，通常存在這許多進(jìn)程，有的處于就緒狀

態(tài)，有的處于阻塞狀態(tài)，而且阻塞的原因各不相同。為了方

便進(jìn)程的調(diào)度和管理，需要將各進(jìn)程的PCB用適當(dāng)?shù)姆椒ńM

織起來。目前，常用的組織方式有連接方式和索引方式兩種。

連接方式將同一狀態(tài)的PCB連接成一個(gè)隊(duì)列，不同狀態(tài)對應(yīng)

不同的隊(duì)列，也可以把處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程的PCB,根據(jù)其

阻塞原因的不同，排成多個(gè)阻塞隊(duì)列。索引方式是將同一狀

態(tài)的進(jìn)程組織在一個(gè)索引表中，索引表的表項(xiàng)只想相應(yīng)的

PCB,不同狀態(tài)對應(yīng)不同的索引表，如就緒索引表和阻塞索

引表等。

(2)程序段

程序段就是能北京城調(diào)度程度調(diào)度到CPU執(zhí)行的程序代

碼段。注意，程序可以被多個(gè)進(jìn)程共享，就是說多個(gè)進(jìn)程可

以運(yùn)行同一個(gè)程序。

(3)數(shù)據(jù)段

一個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)段，可以是進(jìn)程對應(yīng)的程序加工處理的

原始數(shù)據(jù)，也可以是程序執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的中間或最終結(jié)果。

5、進(jìn)程的通信

進(jìn)程通信就是進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換。PV操作時(shí)低級(jí)通信

方式2,高級(jí)通信方式是指以較高的效率傳輸大量數(shù)據(jù)的通

信方式。高級(jí)通信方法可分為共享存儲(chǔ)、消息傳遞和管道通

信三大類。

(1)共享存儲(chǔ)

在通信的進(jìn)程之間存在著一款可以直接訪問的共享空

見，通過對這塊共享空間的讀寫操作時(shí)間進(jìn)程之間的信息交

換。在共享存儲(chǔ)方法中，需要使用同步互斥工具。

需要注意的是：用戶進(jìn)程空間一般都是相互獨(dú)立的，要

想讓兩個(gè)用戶進(jìn)程共享空間，必須通過特殊系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn),

而進(jìn)程內(nèi)的線程是自然共享進(jìn)程空間的。

(2)消息傳遞

在消息傳遞系統(tǒng)中，進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換，是以格式化的

小心Message為單位的。

(3)管道通信

管道通信是消息傳遞的一種特殊方式。。所謂管道，就

是用于連接一個(gè)讀進(jìn)程和一個(gè)寫進(jìn)程以實(shí)現(xiàn)他們之間通信

的一個(gè)共享文件，又名為pipe文件。向管道或共享文件提

供輸入的發(fā)送進(jìn)程，以字符流的形勢將大量的數(shù)據(jù)送入寫管

道；而接收管道輸出的接收進(jìn)城，則從管道中接受數(shù)據(jù)。為

了協(xié)調(diào)雙方的通信，關(guān)到極致必須他提供以下撒按方面的協(xié)

調(diào)能力：互斥、同步和確定對方存在。

6、線程概念和多線程模型

(1)線程的基本概念

引入進(jìn)程的目的，是為了是多道程序能并發(fā)執(zhí)行，以提

高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量；而引入線程，則是為了減小程

序在并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開銷，提高操作系統(tǒng)的并發(fā)性

能。

線程最直接的理解就是“輕量級(jí)進(jìn)程”，它是一個(gè)基本

的CPU執(zhí)行單元，也是程序執(zhí)行流的最小單元，由線程ID、

程序計(jì)數(shù)器、寄存器集合和堆棧組成。線程是進(jìn)程中的一個(gè)

實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位。進(jìn)程只作為除

CPU以外的系統(tǒng)資源的分配單元，線程則作為處理器的分配

單元。線程也有就緒、阻塞和運(yùn)行三種基本狀態(tài)。

（2）線程和進(jìn)程的比較

1）調(diào)度：在引入線程的操作系統(tǒng)中，線程是獨(dú)立調(diào)度的

基本單位，進(jìn)程是資源擁有的基本單位。

2）擁有資源：進(jìn)程是擁有資源的基本單位，而線程不擁

有系統(tǒng)資源，單線程可以防偽其隸屬進(jìn)程的系統(tǒng)資源。

3）并發(fā)性：在引入線程的操作系統(tǒng)中，不僅進(jìn)程之間可

以并發(fā)執(zhí)行，線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行，從而是操作

系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性，大大提高了系統(tǒng)的吞吐量。

4）系統(tǒng)開銷：線程開銷極小。

5）地址空間和其他資源：進(jìn)程的地址空間之間相互獨(dú)立,

同一進(jìn)程的各線程間共享進(jìn)程的資源，進(jìn)程內(nèi)的線程

對進(jìn)程外的其他進(jìn)程不可見。

6）通信方面：進(jìn)程間通信需要進(jìn)程同步和互斥手段的輔

助，以保證數(shù)據(jù)的一致性，而線程間可以直接讀寫進(jìn)

程數(shù)據(jù)段來進(jìn)行通信。

（3）線程的屬性

在多線程操作系統(tǒng)中，八仙城作為獨(dú)立運(yùn)行的基本單位。

此時(shí)的進(jìn)程已不是一個(gè)基本可執(zhí)行的實(shí)體。線程的主要屬性

如下：

1）線程是一個(gè)輕型實(shí)體，它不擁有系統(tǒng)資源，但每個(gè)線

程都應(yīng)有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符和一個(gè)線程控制塊，線程

控制塊記錄了線程執(zhí)行的寄存器和棧等現(xiàn)場情況。

2）不同的線程可以執(zhí)行相同的程序，即同一個(gè)服務(wù)程序

被不同的用戶調(diào)用時(shí)，操作系統(tǒng)為他們創(chuàng)建不同的線

程。

3）統(tǒng)一進(jìn)程中的各個(gè)線程共享該進(jìn)程所擁有的系統(tǒng)資源。

4）線城市處理器的獨(dú)立調(diào)度單位，多個(gè)線程是可以并發(fā)

執(zhí)行的。

5）一個(gè)縣城被創(chuàng)建后便開始了它的生命周期，直至終止，

線程在生命周期內(nèi)會(huì)經(jīng)歷等待態(tài)、就緒態(tài)和運(yùn)行態(tài)等

各種狀態(tài)變化。

(4)線程的實(shí)現(xiàn)方法

線程的實(shí)現(xiàn)可以分為兩類：用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程。

(5)多線程模型

有些系統(tǒng)同時(shí)支持用戶線程和內(nèi)核線程，由此產(chǎn)生了不

同的多線程模型，即實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程的連接方

式。

1)多對一模型。多對一模型將多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一

個(gè)內(nèi)核級(jí)線程。線程管理在用戶空間完成。

2)一對一模型。

3)多對多模型。

特點(diǎn)：克服了多對一模型的并發(fā)度不高的缺點(diǎn)，又克服

了一對一模型中一個(gè)用戶進(jìn)程占用太多內(nèi)核級(jí)線程，開銷太

大的缺點(diǎn)。

2.2、線程的調(diào)度

1、調(diào)度的概念

(1)調(diào)度的基本概念

在多道程序系統(tǒng)中，進(jìn)程的數(shù)量往往多于處理器的個(gè)數(shù),

進(jìn)程爭用處理器的情況在所難免。處理器調(diào)度是對處理器進(jìn)

行分配，就是從就緒隊(duì)列中，按照一定的算法，選擇一個(gè)進(jìn)

程并將處理器分配給他運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行。

處理器調(diào)度是多道程序操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它是操作系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的核心問題。

（2）調(diào)度的層次

一個(gè)作業(yè)從提交開始知道完成，往往要經(jīng)歷一下三級(jí)調(diào)

度：

1）作業(yè)調(diào)度。作業(yè)調(diào)度又稱高級(jí)調(diào)度：其主要任務(wù)是

按一定的原則從外存上處于后備狀態(tài)的作業(yè)中挑選一個(gè)或

多個(gè)作業(yè)，給他們分配內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等必要的資源。

并建立相應(yīng)的進(jìn)程，以使他們獲得競爭處理器的權(quán)利。

多道批處理系統(tǒng)中大多配有作業(yè)調(diào)度，而其它系統(tǒng)中通

常不需要配置作業(yè)調(diào)度。作業(yè)調(diào)度的執(zhí)行頻率較低，通常為

幾分鐘一次。

2）中級(jí)調(diào)度。中級(jí)調(diào)度又稱內(nèi)存調(diào)度。引入中級(jí)調(diào)度

視為了提高內(nèi)存利用率和系統(tǒng)吞吐率，為此，應(yīng)使那些暫時(shí)

不能運(yùn)行的進(jìn)程調(diào)至外存等待，把此時(shí)的進(jìn)程狀態(tài)稱為掛起

狀態(tài)。當(dāng)他們已具備運(yùn)行條件且內(nèi)存有稍有空閑時(shí)，由中級(jí)

調(diào)度來決定，吧外存上那些已具備運(yùn)行條件的就緒進(jìn)程，在

重新調(diào)入內(nèi)存，并修改其狀態(tài)為就緒狀態(tài)，掛在就緒隊(duì)列上

等待。

3）進(jìn)程調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度又稱為低級(jí)調(diào)度，其主要任務(wù)

是按照某種方法和策略從就緒隊(duì)列中選取一個(gè)進(jìn)程，將處理

器分配給它。進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)中最基本的一中調(diào)度，在

一般操作系統(tǒng)中都不需配置進(jìn)程調(diào)度。進(jìn)程調(diào)度的頻率很高,

一般幾十毫秒一次。

(3)三級(jí)調(diào)度的聯(lián)系

作業(yè)調(diào)度從外存的后備隊(duì)列中選擇一批作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存，

為他們建立進(jìn)程。這些進(jìn)程被送入就緒隊(duì)列。進(jìn)程調(diào)度從就

緒隊(duì)列中選出一個(gè)進(jìn)程，并把其狀態(tài)改為運(yùn)行狀態(tài)，把CPU

分配給它。中級(jí)調(diào)度是位于高級(jí)調(diào)度和低級(jí)調(diào)度之間的一種

調(diào)度。為了提高內(nèi)存的利用率，系統(tǒng)將那些暫時(shí)不能運(yùn)行的

進(jìn)程掛起來。當(dāng)內(nèi)存空間寬松式，通過中級(jí)調(diào)度選擇具備運(yùn)

行條件的進(jìn)程，將其喚醒。

2、調(diào)度的時(shí)機(jī)、切換與過程

進(jìn)程調(diào)度和切換程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序。當(dāng)請求調(diào)度

的事件發(fā)生后，才可能會(huì)運(yùn)行進(jìn)程調(diào)度程序，當(dāng)調(diào)度了新的

就緒進(jìn)程后，才會(huì)去進(jìn)行進(jìn)程間的切換。

現(xiàn)在操作系統(tǒng)中，不能進(jìn)行進(jìn)程的調(diào)度與切換的情況有

以下幾種：

1)在處理中斷的過程中：中斷處理過程復(fù)雜，在

實(shí)現(xiàn)上很難做到，而且中斷處理時(shí)系統(tǒng)工作的

一部分，邏輯上不屬于某一進(jìn)城，不應(yīng)被剝奪

處理器資源。

2)進(jìn)程在操作系統(tǒng)內(nèi)核程序臨界區(qū)中：進(jìn)入臨界

區(qū)后，需要獨(dú)占式的訪問共享數(shù)據(jù)，理論上必

須加鎖，以防止其他并行程序的進(jìn)入，在解鎖

前不應(yīng)該切換到其他進(jìn)程，以加快該共享數(shù)據(jù)

的釋放。

3)其他需要完全屏蔽中斷的原子操作過程中：如

加鎖、解鎖、中斷現(xiàn)場保護(hù)、恢復(fù)等等源自操

作。在原子過程中，連中斷都要屏蔽，更不應(yīng)

該進(jìn)行進(jìn)程的切換。

如果在上述過程中發(fā)生了引起調(diào)度的條件，并不能馬上

進(jìn)行調(diào)度和切換，應(yīng)置系統(tǒng)請求調(diào)度標(biāo)志，知道上述過程結(jié)

束后才能進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度和切換。

應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)程的調(diào)度與切換的情況有：

1)當(dāng)發(fā)生引起調(diào)度條件且當(dāng)前進(jìn)程無法繼續(xù)運(yùn)行下去時(shí),

可以馬上進(jìn)行調(diào)度與切換。如果操作系統(tǒng)只在這種情

況下進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，就是非剝奪調(diào)度。

2)當(dāng)中斷處理結(jié)束后或自陷處理結(jié)束后，返回被中斷進(jìn)

程的用戶態(tài)程序執(zhí)行現(xiàn)場前，若置上請求調(diào)度標(biāo)志，

即可馬上進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度與切換。如果操作系統(tǒng)支持這

種情況下的運(yùn)行調(diào)度程序，就實(shí)現(xiàn)了剝奪方式的調(diào)度。

進(jìn)程切換往往在調(diào)度完成后立刻發(fā)生，它要求保存源進(jìn)

程當(dāng)前切換點(diǎn)的縣城信息，恢復(fù)被調(diào)度進(jìn)程的現(xiàn)場信息?，F(xiàn)

場切換時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核將遠(yuǎn)近程的現(xiàn)場信息推入到當(dāng)前進(jìn)

程的內(nèi)核對戰(zhàn)來保存他們，并更新堆棧指針。內(nèi)核完成從新

進(jìn)程的內(nèi)核棧中裝入新進(jìn)程的縣城信息、更新當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程

空間指針、重設(shè)PC寄存器等相關(guān)工作之后，開始運(yùn)行新的

進(jìn)程。

3、進(jìn)程調(diào)度方式

所謂進(jìn)程調(diào)度方式是指當(dāng)某一個(gè)進(jìn)程正在處理器上執(zhí)

行時(shí)，若有某個(gè)更為重要或緊迫的進(jìn)程需要處理，既有優(yōu)先

權(quán)更高的進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列，此時(shí)應(yīng)如何分配處理器。通常

有一下兩種進(jìn)程調(diào)度方式：

（1）非剝奪調(diào)度方式

非剝奪調(diào)度方式又稱為非搶占調(diào)度方式，是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)

程正在處理器上執(zhí)行時(shí)，即使有某個(gè)更為重要或緊迫的進(jìn)程

進(jìn)入就緒狀態(tài)，仍然讓正在執(zhí)行的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，知道該進(jìn)

程完成或發(fā)生某種時(shí)間而進(jìn)入阻塞狀態(tài)時(shí)，才把處理器分配

給更為重要或緊迫的進(jìn)程。

（2）剝奪調(diào)度方式

剝奪調(diào)度方式又稱為搶占方式，是指當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在處

理器上執(zhí)行時(shí)，若有某個(gè)更為重要或緊迫的進(jìn)程需要使用處

理器，則立即暫停正在執(zhí)行的進(jìn)程，將處理器分配給這個(gè)更

為重要或緊迫的進(jìn)程。

“剝奪”不是一種任意性行為，必須遵循一定的原貝I:

優(yōu)先權(quán)原則，短進(jìn)程優(yōu)先原則和時(shí)間片原則。

4、調(diào)度的基本準(zhǔn)則

不同的調(diào)度算法具有不同的特性，在選擇調(diào)度算法時(shí),

必須考慮算法所具有的特性。為了比較處理器調(diào)度算法的性

能，人們提出很多評價(jià)準(zhǔn)則，下面介紹主要的幾種準(zhǔn)則：

(1)CPU利用率

CPU是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的資源之一，所以應(yīng)盡可能

使CPU保持在忙狀態(tài)，是這一資源利用率最高。

(2)系統(tǒng)吞吐量

系統(tǒng)吞吐量表示單位時(shí)間內(nèi)CPU完成作業(yè)的數(shù)量。長作

業(yè)需要消耗較長的處理器時(shí)間，因此會(huì)降低系統(tǒng)的吞吐量。

而對于短作業(yè)，他們所需要消耗的處理器時(shí)間端，因此能提

高系統(tǒng)的吞吐量。調(diào)度算法和方式的不同，也會(huì)對系統(tǒng)的吞

吐量產(chǎn)生較大的影響。

(3)周轉(zhuǎn)時(shí)間

周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)提交到作業(yè)完成所經(jīng)歷的時(shí)間，包

括作業(yè)等待、在就緒隊(duì)列中排隊(duì)、在處理器上運(yùn)行以及進(jìn)行

輸入輸出操作所花費(fèi)的時(shí)間的總和。

作業(yè)的周轉(zhuǎn)時(shí)間二作業(yè)完成時(shí)間-作業(yè)提交時(shí)間

(4)等待時(shí)間

等待時(shí)間是指進(jìn)程處于等處理器狀態(tài)時(shí)間之和，等待時(shí)

間越長，用戶滿意度越低。處理器調(diào)度算法實(shí)際上并不影響

作業(yè)執(zhí)行或輸入輸出操作時(shí)間，只影響作業(yè)在就緒隊(duì)列中等

待所花的時(shí)間。因此，衡量一個(gè)調(diào)度算法優(yōu)劣常常只需簡單

地考察等待時(shí)間。

(5)響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是指從用戶提交請求到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)所

有的時(shí)間。在交互式系統(tǒng)中，周轉(zhuǎn)時(shí)間不可能是最好的評測

準(zhǔn)則，一般采用響應(yīng)時(shí)間作為衡量調(diào)度算法的重要準(zhǔn)則之一。

從用戶的角度來看，調(diào)度策略應(yīng)盡量降低響應(yīng)時(shí)間，使響應(yīng)

時(shí)間處在用戶能夠接受的范圍之內(nèi)。

5、典型的調(diào)度算法

通常系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)不同，所采用的調(diào)度算法也不同。

在操作系統(tǒng)中存在多種調(diào)度算法，其中有的調(diào)度算法適用于

作業(yè)調(diào)度，有的調(diào)度算法適用于進(jìn)程調(diào)度，有的調(diào)度算法兩

者都適用。下面介紹幾種常用的調(diào)度算法：

（1）FIFS先來先服務(wù)調(diào)度算法

特點(diǎn)：算法簡單，但是效率低；有利于長作業(yè)，不利于

短作業(yè)；有利于CPU繁忙型作業(yè)而不利于10繁忙型作業(yè)。

（2）SJF短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法

短作業(yè)（進(jìn)程）優(yōu)先調(diào)度算法是指對短作業(yè)禍端進(jìn)程優(yōu)

先調(diào)度的算法。短作業(yè)優(yōu)先調(diào)度算法是從后備隊(duì)列中選擇一

個(gè)或若干個(gè)估計(jì)運(yùn)算時(shí)間最短的作業(yè)，將他們呢掉入內(nèi)存運(yùn)

行。

SJF調(diào)度算法的缺點(diǎn)：

1）該算法對長作業(yè)不理。

2）該算法完全未考慮作業(yè)的緊迫程度

3）由于作業(yè)的長短只根據(jù)用戶所提供的估計(jì)執(zhí)行時(shí)

間而定的，而用戶又可能會(huì)有意或無意的縮短其作

業(yè)的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間，致使該算法不一定能真正做到

算作業(yè)優(yōu)先調(diào)度。

4）注意：SJF調(diào)度算法的平均等待時(shí)間、平均周轉(zhuǎn)時(shí)

間最少。

(3)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法

(4)高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法

高響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度算法主要用于作業(yè)調(diào)度。同時(shí)考慮從

每個(gè)作業(yè)的等待時(shí)間和估計(jì)需要運(yùn)行的時(shí)間。

(5)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法主要適用于分時(shí)系統(tǒng)。

(6)多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法主要是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法和

優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法的綜合和發(fā)展。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)和

時(shí)間片大小，多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法可以兼顧多方面的系統(tǒng)

目標(biāo)。

2.3、進(jìn)程同步

1、進(jìn)程同步的基本概念

多道程序環(huán)境下，進(jìn)程是并發(fā)執(zhí)行的，不同進(jìn)程間存在

著不同的相互制約關(guān)系。為了協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的相互制約關(guān)系,

達(dá)到資源共享和進(jìn)程協(xié)作，避免進(jìn)程之間的沖突，引入了進(jìn)

程同步的概念。

(1)臨界資源

多個(gè)進(jìn)程可以共享系統(tǒng)中的各種資源，但其中許多資源

一次只能為一個(gè)進(jìn)程所使用，我們把一次只允許一個(gè)進(jìn)程使

用的資源成為臨界資源。

對臨界資源的訪問，必須互斥的進(jìn)行。每個(gè)進(jìn)程中，訪

問臨界資源的那段代碼成為臨界區(qū)。

為了保證臨界資源的正確使用，可以把臨界資源的訪問

過程分為四個(gè)部分。

1)進(jìn)入?yún)^(qū)。為了進(jìn)入臨界區(qū)使用臨界資源，在進(jìn)入去要

檢查可否進(jìn)入臨界區(qū)。

2)臨界區(qū)。進(jìn)程中訪問臨界資源的那段代碼。

3)退出區(qū)。將正在訪問臨界區(qū)的標(biāo)志清除。

4)剩余區(qū)。代碼中的其余部分。

do{

entrysection；

criticalsection；

exitsection；

remaindersection；

}while(true)

(2)同步

同步已成為直接制約關(guān)系，它是為完成某種任務(wù)而建立

的兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程。這些進(jìn)程因?yàn)樾枰谀承┪恢蒙蠀f(xié)調(diào)他

們的工作次序而等待、傳遞信息所產(chǎn)生的制約關(guān)系。進(jìn)程間

的直接制約關(guān)系就是它們之間的相互合作。

(3)互斥

互斥亦稱間接制約關(guān)系。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)使用臨

界資源時(shí)，另一個(gè)進(jìn)程必須等待，當(dāng)占用臨界資源的進(jìn)程退

出臨界區(qū)后，另一個(gè)進(jìn)程才允許去訪問此臨界資源。

2、實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥的基本方法

(1)軟件實(shí)現(xiàn)方法

在進(jìn)入?yún)^(qū)設(shè)置和檢查一些標(biāo)志來表名是否有進(jìn)程在臨

界區(qū)中，如果已有進(jìn)程在臨界區(qū)，則在進(jìn)入?yún)^(qū)通過循環(huán)檢查

進(jìn)行等待，進(jìn)程離開臨界區(qū)后則在退出區(qū)修改標(biāo)志。

(3)硬件實(shí)現(xiàn)方法

本節(jié)對硬件實(shí)現(xiàn)的具體理解對后面的信號(hào)量學(xué)習(xí)很有

幫助。計(jì)算機(jī)提供了特殊的硬件指令，允許對一個(gè)字中的內(nèi)

容進(jìn)行檢測和修正，活著是對兩個(gè)字的內(nèi)容進(jìn)行交換等。通

過硬件支持實(shí)現(xiàn)臨界段問題的低級(jí)方法或稱為元方法。

1）中斷屏蔽方法。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程正在使用處理器執(zhí)行他的

臨界區(qū)代碼時(shí)，要防止去其他進(jìn)程在進(jìn)入其臨界區(qū)訪

問的最簡單方法就是禁止一切中斷的發(fā)生，或稱之為

屏蔽中斷、關(guān)中斷。因?yàn)镃PU只有在發(fā)生中斷時(shí)引起

進(jìn)程的調(diào)度和切換，這樣屏蔽中斷就能保證當(dāng)前運(yùn)行

進(jìn)程將臨界區(qū)代碼順利的執(zhí)行完，然后再開中斷。

這種方法限制了處理器交替執(zhí)行程序的能力，因此執(zhí)行

的效率將會(huì)明顯降低。對內(nèi)核來說，當(dāng)它執(zhí)行更新變量或列

表的幾條指令期間關(guān)中斷是很方便的，但將關(guān)中斷的權(quán)力交

給用戶則很不明智，若一個(gè)進(jìn)程關(guān)中斷之后不再打開終端,

則系統(tǒng)可能會(huì)因此終止。

2）硬件愛你指令法。

TestAndSet指令：這條指令是原子操作。及執(zhí)行該代碼

是不允許被中斷。其功能是獨(dú)處制定標(biāo)志后把該標(biāo)志設(shè)置為

真。

BooleanTestAndSet(Boolean*lock){

Booleanold；

01d=*lock；

*lock=true；

Returnold；

Lock為每個(gè)臨界資源設(shè)置的共享布爾變量，true表示

正在被占用，false表示沒被占用。

WhileTestAndSet(&lock)；

進(jìn)程的臨界區(qū)代碼；

Lock=false；

進(jìn)程剩余代碼；

Swap指令：該指令的功能是交換兩個(gè)字的內(nèi)容。

Swap(Boolean*a,Boolean*b){

Booleantemp；

Temp=*a；

*a二*b；

*b=temp；

}

以上對TestAndSet和Swap指令僅僅是功能實(shí)現(xiàn)，并非

軟件實(shí)現(xiàn)定義，事實(shí)上他們是由硬件邏輯直接實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)

被中斷。

硬件方法優(yōu)點(diǎn)：使用與任意數(shù)目的進(jìn)程，不管是單處理

器還是多處理器：簡單、容易驗(yàn)證其正確性?？梢灾С诌M(jìn)程

內(nèi)有多個(gè)臨界區(qū)，只需要為每個(gè)臨界區(qū)設(shè)立一個(gè)布爾變量。

硬件方法的缺點(diǎn)：進(jìn)程等待進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)要耗費(fèi)處理器

時(shí)間，不能實(shí)現(xiàn)讓權(quán)等待。從等待進(jìn)程中隨機(jī)選擇一個(gè)進(jìn)入

臨界區(qū)，有的進(jìn)程可能一直選不上，從而導(dǎo)致“饑餓”現(xiàn)象。

3、信號(hào)量

信號(hào)量機(jī)構(gòu)是一種功能較強(qiáng)的機(jī)制，可用來解決互斥與

同步的問題，它只能被兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原語wait和signal來訪問，

也可以記作p操作和v操作。

原語是指完成某種功能且不被分割不被中斷執(zhí)行的操

作序列，有時(shí)也成為原子操作，通?？捎糜布韺?shí)現(xiàn)完成某

種功能的不可分割執(zhí)行特性。

(1)整形信號(hào)量

整形信號(hào)量被定義為一個(gè)用于表示資源個(gè)數(shù)的整型量So

(2)記錄性信號(hào)量

記錄性信號(hào)量是不存在“忙等”現(xiàn)象的進(jìn)程同步機(jī)制。

除了需要一個(gè)用于代表資源數(shù)的整型變量value外，再增加

一個(gè)進(jìn)程鏈表L,用于連接所有等待該資源的進(jìn)程，記錄型

信號(hào)量是由于采用了記錄型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)得名。記錄型信號(hào)量

可描述為：

Typedefstruct{

Intvalue；

Structprocess*L；

}semaphore；

Wait操作，表示進(jìn)程請求一個(gè)該類資源，當(dāng)S.valueVO

時(shí)，表示該類資源已分配完畢，因此進(jìn)程調(diào)用block原語,

進(jìn)行自我阻塞，放棄處理器，并插入到S.L中，可見該機(jī)制

遵循了“讓權(quán)等待”的原則。Signal操作，表示進(jìn)程釋放

一個(gè)資源，使系統(tǒng)中可供分配資源數(shù)增加一，故S.value++o

若加1后仍是S.value〈二0,則表示S.L中仍有等待該資源的

進(jìn)程被阻塞，故還應(yīng)調(diào)用wakeup原語，將S.L中的第一個(gè)

等待進(jìn)程喚醒。

（3）利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)同步

信號(hào)量機(jī)構(gòu)能用于解決進(jìn)程間各種同步問題。

（4）利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥

信號(hào)量機(jī)構(gòu)能很方便的解決進(jìn)程互斥問題。

互斥的實(shí)現(xiàn)是不同進(jìn)程對同一信號(hào)量進(jìn)行P操作和V操

作，一個(gè)進(jìn)程在成功地對信號(hào)量執(zhí)行了P操作后進(jìn)入臨界區(qū),

并在退出臨界區(qū)后，由該進(jìn)程本身對該信號(hào)量執(zhí)行V操作,

表示當(dāng)前沒有進(jìn)城進(jìn)入臨界區(qū)，可讓其他進(jìn)程進(jìn)入。

（5）利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)前驅(qū)關(guān)系

信號(hào)量也可以用來描述程序之間或者語句之間的前驅(qū)

關(guān)系。

(6)分析進(jìn)程同步或互斥問題的方法步驟

1)關(guān)系分析。找出問題中的進(jìn)程數(shù)，并且分析它們之間

的同步和互斥關(guān)系。同步、互斥、前去關(guān)系直接按照

上面例子中的經(jīng)典犯事改寫。

2)整體思路。找出解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)，并且根據(jù)做過的

題目找出解決的思路。根據(jù)進(jìn)程的操作流程確定P操

作、V操作的大致順序。

3)設(shè)置信號(hào)量。根據(jù)上面兩步，設(shè)置需要的信號(hào)量，確

定初值，完善整理。

4、管程

(1)管程的定義

管程是一組數(shù)據(jù)以及定義在這組數(shù)據(jù)之上的對這組數(shù)

據(jù)的操作組成的軟件模塊，這組操作能初始化并改變管程中

的數(shù)據(jù)和同步進(jìn)程。

(2)管程的組成

1)局部與管程的共享結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)說明

2)對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作的一組過程

3)對局部于管程的共享數(shù)據(jù)設(shè)置初始值的語句

(3)管程的基本特性

1)局部于管程的數(shù)據(jù)只能被局部于管程內(nèi)的過程訪問。

2)一個(gè)進(jìn)程只有通過調(diào)用管程內(nèi)的過程才能進(jìn)入廣成

訪問的共享數(shù)據(jù)。

3)每次僅允許一個(gè)進(jìn)程在管程內(nèi)執(zhí)行某個(gè)內(nèi)部過程。

由于管程是一個(gè)語言成分，所以管程的互斥訪問完全由

編譯程序在編譯時(shí)自動(dòng)添加，無需程序員關(guān)注，而且保證正

確。

5、經(jīng)典同步問題

(1)生產(chǎn)者-消賽者問題

問題描述：一組生產(chǎn)者進(jìn)程和一組消賽者進(jìn)程共享一個(gè)

初始為空、大小為n的緩沖區(qū)，只有緩沖區(qū)沒滿時(shí)，生產(chǎn)者

才能把消息放入到緩沖區(qū)，否則必須等待；只有緩沖區(qū)不為

空時(shí)，消費(fèi)者才能從中取出消息，否則必須等待。由于緩沖

區(qū)是臨界資源，它只允許一個(gè)生產(chǎn)者放入消息，或一個(gè)消費(fèi)

者從中取出消息。

問題分析：

1)關(guān)系分析。生產(chǎn)者和消費(fèi)者對緩沖區(qū)互斥訪問是互

斥關(guān)系，同時(shí)生產(chǎn)者和消費(fèi)者又是一個(gè)相互協(xié)作的關(guān)系，只

有生產(chǎn)者生產(chǎn)之后，消費(fèi)者才能消賽，他們也是同步關(guān)系。

2）整理思路。這里比較簡單，只有生產(chǎn)者和消賽者兩

個(gè)進(jìn)程，正好是這兩個(gè)進(jìn)程存在著互斥關(guān)系和同步關(guān)系。那

么需要解決的是胡吃喝同步PV操作的位置。

3）信號(hào)量的設(shè)置。信號(hào)量mutex作為互斥信號(hào)量，它

用于控制互斥訪問緩沖池，互斥信號(hào)量初始為1;信號(hào)量full

用于記錄當(dāng)前緩沖池中“滿”緩沖區(qū)數(shù)，初值為0.信號(hào)量

empty用于記錄當(dāng)前緩沖池中空緩沖區(qū)，初值為n。

下面再看一個(gè)較為復(fù)雜的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題：

問題描述：桌子上有一只盤子，每次孩子能向其中放入

一個(gè)水果。爸爸專向盤子中放入蘋果，媽媽專向盤子中放入

橘子，女兒專等吃盤子中的蘋果，兒子專等吃盤子中的橘子。

只有盤子為空時(shí)，爸爸或媽媽就可向盤子中放一只水果2；

僅當(dāng)盤子中有自己需要的水果時(shí)，兒子或女兒可以從盤子中

取出。

問題分析：

1）關(guān)系分析。這里的關(guān)系略微復(fù)雜一些，首先由每次

只能向其中放入一只水果可知爸爸和媽媽是互斥關(guān)系。爸爸

和女兒、媽媽和兒子是同步關(guān)系，而且這兩對進(jìn)城必須連起

來，兒子和女兒之間沒有互斥和同步關(guān)系，因?yàn)樗麄兪沁x擇

條件執(zhí)行，不可能并發(fā)。

2）整理思路。這里有4個(gè)進(jìn)程，實(shí)際上可以抽象為兩

個(gè)生產(chǎn)者和兩個(gè)消費(fèi)者被連接到大小為1的緩沖區(qū)上。

3）信號(hào)量設(shè)置。首先設(shè)置信號(hào)量plate為互斥信號(hào)量，

表示是否允許想盤子放水果，初值為1,表示允許放入，且

只允許放一只。信號(hào)量apple表示盤子里是否有蘋果，初值

為0,表示盤子中無2蘋果；信號(hào)量orange表示盤子中是否

有橘子，初始量為0,表示盤子中無橘子。

（2）讀者-寫著問題

問題描述：有讀者和寫者兩組并發(fā)進(jìn)程，共享一個(gè)文件,

當(dāng)兩個(gè)以上的讀進(jìn)程同事訪問共享數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生副作用，

但若某個(gè)寫進(jìn)程和其他進(jìn)程（讀進(jìn)程或?qū)戇M(jìn)程）同時(shí)訪問共

享數(shù)據(jù)時(shí)則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的錯(cuò)誤。因此要求：1）允

許多個(gè)讀者同時(shí)對文件執(zhí)行讀操作；2）只允許一個(gè)寫者往

文件中寫信息；3）任一寫者在完成寫操作之前不允許其他

讀者或?qū)懻吖ぷ鳎?）寫者執(zhí)行完寫操作前，應(yīng)讓已有的讀

者或?qū)懻呷客顺觥?/p>

問題分析：

1）關(guān)系分析。由題目分析讀者和寫者是互斥的，寫者

和寫者也是互斥的，而讀者和讀者不存在互斥關(guān)系。

2）整理思路。兩個(gè)進(jìn)程，即讀者和寫者。寫者比較簡

凡，它和任何進(jìn)程互斥，用互斥信號(hào)量p操作、v操作即可

解決。讀者的問題比較復(fù)雜，它必須實(shí)現(xiàn)與寫著互斥的關(guān)系，

還要實(shí)現(xiàn)和其他讀者同步的關(guān)系。因此，緊急簡單的一對PV

操作時(shí)無法解決的。那么在這里用到了一個(gè)計(jì)數(shù)器，用它來

判斷當(dāng)前是否有讀者讀文件。當(dāng)有讀者的時(shí)候，寫著是無法

寫文件的，此時(shí)讀者會(huì)一直占用文件，當(dāng)沒有讀者的時(shí)候,

寫者才可以寫文件。同事這里不同讀者對計(jì)數(shù)器的訪問也是

互斥的。

3)信號(hào)量的設(shè)置。首先設(shè)置信號(hào)量count為計(jì)數(shù)器，

用來記錄當(dāng)前讀者數(shù)量，初值為0;設(shè)置mutex為互斥信號(hào)

量，用于保護(hù)更新count變量時(shí)的互斥；設(shè)置互斥信號(hào)量rw

用于保證讀者和寫者的互斥訪問。

(3)哲學(xué)家進(jìn)餐問題

問題描述：一張圓桌上坐著五個(gè)哲學(xué)家，每兩個(gè)哲學(xué)家

之間的桌子上擺著一根筷子，桌子的中間是一碗米飯。哲學(xué)

家們傾注畢生精力用于思考和進(jìn)餐，哲學(xué)家在思考是，并不

影響其他人。只有當(dāng)哲學(xué)家饑餓的時(shí)候，才視圖拿起左右兩

根筷子。如果筷子已經(jīng)在他人手上，則需等待。饑餓的哲學(xué)

家只有同時(shí)拿到了兩根筷子才可以開始進(jìn)餐，當(dāng)今參悟你比

猴，放下筷子繼續(xù)思考。

問題分析：

1）關(guān)系分析。五個(gè)哲學(xué)家與左右鄰居對其中的筷子的

訪問是互斥關(guān)系。

2）整理思路。顯然這五個(gè)進(jìn)程，要解決的問題有兩個(gè)：

一個(gè)是讓他們同時(shí)拿起兩個(gè)筷子；而是對每個(gè)哲學(xué)家的動(dòng)作

執(zhí)行規(guī)則，避免饑餓或者死鎖現(xiàn)象發(fā)生。

3）信號(hào)量設(shè)置。定義互斥信號(hào)組chopsticks[5]

={1,1,1,1,1}用于對五個(gè)筷子的互斥訪問。

對哲學(xué)家按順序0~4編號(hào)，哲學(xué)家i左邊的筷子編號(hào)為

i,哲學(xué)家右邊的筷子編號(hào)為（i+1）%5O

（4）吸煙者問題

問題描述：假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)吸煙者進(jìn)程和一個(gè)供應(yīng)

者進(jìn)程。每個(gè)抽煙者不停的卷煙并抽調(diào)他，但是要卷起并抽

掉一支煙，抽煙者必須要有三種材料：煙草、紙和膠水。三

個(gè)抽煙者中，第一個(gè)有煙草，第二個(gè)有紙，第三個(gè)有膠水。

供應(yīng)者進(jìn)程無線地提供提供三種材料。

供應(yīng)者每次將兩種材料放到桌子上，擁有剩下那種材料

的抽煙者卷一根煙并抽掉它，并給供應(yīng)者一個(gè)信號(hào)告訴完成

了，供應(yīng)者就會(huì)放另外兩種材料在桌子上，這種過程一直重

復(fù)。

問題分析：

1）關(guān)系分析。供應(yīng)者與三個(gè)抽煙者分別是同步關(guān)系。

由于供應(yīng)者無法同時(shí)滿足兩個(gè)或兩個(gè)以上的抽煙者，三個(gè)抽

煙者對抽煙這個(gè)動(dòng)作是互斥關(guān)系。

2)整理思路。顯然這里有四個(gè)進(jìn)程。供應(yīng)者作為生產(chǎn)

者向三個(gè)抽煙者提供材料。

3)信號(hào)量設(shè)置。信號(hào)量offerl、offer2>offer3分別

表示煙草和紙組合的資源、煙草和膠水組合的資源、紙和膠

水組合的資源。信號(hào)量finish用于互斥進(jìn)行抽煙動(dòng)作。

2.4、死鎖

1、死鎖的概念

(1)死鎖的定義

在多道程序系統(tǒng)中，由于多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，改善了

系統(tǒng)資源的利用率并提高了系統(tǒng)的處理能力。然而，多個(gè)進(jìn)

程的并發(fā)執(zhí)行也帶來了新的問題一一死鎖。所謂死鎖是指多

個(gè)進(jìn)程因競爭資源而造成的一種僵局，若無外力作用，這些

進(jìn)程都將無法向前推進(jìn)。

(2)死鎖產(chǎn)生的原因

1)系統(tǒng)資源的競爭

通常系統(tǒng)中擁有的不可剝奪資源，其數(shù)量不足一滿足多

個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的需要，似的進(jìn)程在運(yùn)行過程中會(huì)因爭奪資源而

陷入僵局。只有對不可剝奪資源的競爭才可能產(chǎn)生死鎖，對

可剝奪資源的競爭是不會(huì)引起死鎖的。

2）進(jìn)程推進(jìn)順序非法

進(jìn)程在運(yùn)行過程中，請求和釋放資源的順序不當(dāng)，同樣

會(huì)導(dǎo)致死鎖。

信號(hào)量使用不當(dāng)也會(huì)造成死鎖。進(jìn)程間相互等待對方發(fā)

來的消息，結(jié)果也會(huì)造成某些進(jìn)程間無法繼續(xù)向前推進(jìn)。

3）死鎖產(chǎn)生的必要條件

產(chǎn)生死鎖必須同時(shí)滿足以下四個(gè)條件，只要其中任一個(gè)

條件不成立，死鎖就不會(huì)發(fā)生。

互斥條件：進(jìn)程要求對所分配的資源進(jìn)行排他性控制,

即在一段時(shí)間內(nèi)某資源僅為一個(gè)進(jìn)程所占用。此時(shí)若有其他

進(jìn)程請求該資源，則請求進(jìn)程只能等待。

不剝奪條件：進(jìn)程所獲得的資源在未使用完畢之前，不

能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪走，即只能由獲得該資源的進(jìn)程自己來

釋放。

請求和保持條件：進(jìn)程已經(jīng)保持了至少一個(gè)資源，但又

提出了新的資源請求，而該資源已被其他進(jìn)程占有，此時(shí)請

求進(jìn)程被阻塞，但對自己已獲得的資源保持不放。

循環(huán)等待條件：存在一種進(jìn)程資源的循環(huán)等待鏈，連中

每一個(gè)進(jìn)程已獲得的資源同時(shí)被鏈中下一個(gè)進(jìn)程所請求。

2、死鎖的處理策略

為使系統(tǒng)不發(fā)生死鎖，必須設(shè)法破壞產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必

要條件之一，或者允許死鎖產(chǎn)生，但當(dāng)死鎖發(fā)生時(shí)能檢測出

思索，并有能力實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。

死鎖處理策略有：

(1)死鎖預(yù)防。

破壞死鎖的四個(gè)必要條件之一。

(2)死鎖避免。

用某種方式防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)。

(3)死鎖的檢測及解除

允許進(jìn)程在運(yùn)行過程中發(fā)生死鎖，通過系統(tǒng)的檢測機(jī)構(gòu)

及時(shí)地檢測出死鎖的發(fā)生，然后采取某種措施解除死鎖。

3、死鎖預(yù)防

防止死鎖發(fā)生只需要破壞死鎖產(chǎn)生的四個(gè)必要條件之

一即可。

(1)破壞互斥條件

允許系統(tǒng)資源都能共享使用。(不太可行)

(2)破壞不剝奪條件

當(dāng)一個(gè)以保持了某些不可剝奪資源的進(jìn)程，請求新的資

源時(shí)得不到滿足，它必須釋放已經(jīng)保持的所有資源，待以后

需要時(shí)再重新申請。這種方法常用于狀態(tài)易于保存和恢復(fù)的

資源，如CPU的寄存器及內(nèi)存資源，一般不能用于打印機(jī)之

類的資源。

(3)破壞請求和保持條件

采用預(yù)先靜態(tài)分配方法，即進(jìn)程在運(yùn)行前一次申請完

他所需要的全部資源，在他的資源未滿足前，不把它投入運(yùn)

行。一旦運(yùn)行后，這些資源就一直歸它所有，也不再提出其

他資源請求，這樣就可以保證系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生死鎖。

這種方式實(shí)現(xiàn)簡單，但缺點(diǎn)也顯而易見，系統(tǒng)資源被嚴(yán)

重浪費(fèi)，其中有些資源可能僅在運(yùn)行初期或末期才使用，甚

至根本不使用。而且還會(huì)導(dǎo)致“饑餓”現(xiàn)象，當(dāng)由于個(gè)別資

源長期被個(gè)別資源占用時(shí)，將只是等待該資源的進(jìn)程遲遲不

能開始運(yùn)行。

(4)破壞循環(huán)等待條件

為了破壞循環(huán)等待條件，可采用順序資源分配法。首先

給系統(tǒng)中的資源編號(hào)，規(guī)定每個(gè)進(jìn)程，必須按編號(hào)遞增的順

序請求資源，同類資源一次申請完。也就是說，只要進(jìn)程提

出申請分配資源，則該進(jìn)程在以后的資源申請中，只能申請

編號(hào)比之前大的資源。

4、死鎖避免

避免思索同樣是屬于事先預(yù)防的策略，但并不是事先采

取某種限制措施破壞死鎖的必須條件，而是在資源動(dòng)態(tài)分配

過程中，防止系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，以避免死鎖發(fā)生。這種

方法所施加的限制條件較弱，可以獲得較好的系統(tǒng)性能。

(1)系統(tǒng)安全狀態(tài)

避免死鎖的方法中，允許進(jìn)程動(dòng)態(tài)的申請資源，但系統(tǒng)

在進(jìn)行資源分配前，應(yīng)先計(jì)算此次資源分配的安全性。若此

次分配不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，則將資源你分配給進(jìn)

程，否則，讓進(jìn)程等待。

所謂安全狀態(tài)，是指系統(tǒng)能按某種進(jìn)程推進(jìn)順序，為每

個(gè)進(jìn)程分配其所需的資源，直至滿足每個(gè)進(jìn)程對資源的最大

需求，是每個(gè)進(jìn)程都可以順序的完成。此時(shí)成PlP2P3oo為

安全序列，如果系統(tǒng)無法找到一個(gè)安全序列，則稱系統(tǒng)處于

不安全狀態(tài)。

并非所有的