第2章進(jìn)程的描述與控制

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)主講:四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院

劉循第2章進(jìn)程的描述與控制隨著多道系統(tǒng)的出現(xiàn)，進(jìn)程是資源分配和處理器調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)中最活躍的因素。操作系統(tǒng)并發(fā)性、共享性、虛擬性和異步性的體現(xiàn)。操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配資源，控制進(jìn)程狀態(tài)的變化，協(xié)調(diào)進(jìn)程之間的關(guān)系，完成進(jìn)程之間的切換。進(jìn)程管理屬于處理器管理范疇，是操作系統(tǒng)的重要功能。為了避免進(jìn)程切換使得系統(tǒng)付出的開(kāi)銷過(guò)大，現(xiàn)代操作系統(tǒng)在進(jìn)程的基礎(chǔ)上又引入了“線程”的概念，用線程代替進(jìn)程成為處理器調(diào)度的基本單位。第2章進(jìn)程的描述與控制本章的主要內(nèi)容如下：

進(jìn)程描述進(jìn)程控制前趨圖與進(jìn)程

UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程描述與控制

線程的描述與控制

Solaris操作系統(tǒng)中的線程2.1進(jìn)程描述2.1.1進(jìn)程概念和特征1．進(jìn)程的概念

進(jìn)程的定義：進(jìn)程是可并發(fā)執(zhí)行的、具有獨(dú)立功能的程序在一定數(shù)據(jù)集合上的一次執(zhí)行過(guò)程，是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。從進(jìn)程的定義可以歸納出對(duì)進(jìn)程的理解如下：進(jìn)程是程序運(yùn)行過(guò)程進(jìn)程是以異步為主要特征并具有“活力”的過(guò)程操作系統(tǒng)需要用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述進(jìn)程進(jìn)程是資源分配的單位進(jìn)程的運(yùn)行軌跡是可以控制進(jìn)程與程序不同2．進(jìn)程的特征結(jié)構(gòu)性進(jìn)程包含有描述進(jìn)程信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行在進(jìn)程上的程序。操作系統(tǒng)用進(jìn)程控制塊描述和記錄進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含進(jìn)程控制塊、程序塊和代碼塊。動(dòng)態(tài)性進(jìn)程是程序在數(shù)據(jù)集合上的一次執(zhí)行過(guò)程，具有生命周期，由創(chuàng)建而產(chǎn)生，由調(diào)度而運(yùn)行，由結(jié)束而消亡，是一個(gè)動(dòng)態(tài)推進(jìn)的過(guò)程。并發(fā)性在同一段時(shí)間內(nèi)，若干個(gè)進(jìn)程可以共享一個(gè)處理器。進(jìn)程的并發(fā)性能夠改進(jìn)系統(tǒng)的資源利用率，提高計(jì)算機(jī)的效率。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）獨(dú)立性在操作系統(tǒng)管理上，進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的資源分配單位，進(jìn)程可以在創(chuàng)建時(shí)獲取資源，也可以在運(yùn)行過(guò)程中獲取資源。操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配各種資源，如處理器和內(nèi)存地址空間等。異步性在計(jì)算機(jī)環(huán)境中，處理器的數(shù)量總是小于進(jìn)程的數(shù)量，多個(gè)進(jìn)程被強(qiáng)制分享同一個(gè)處理器，進(jìn)程以交替方式被處理器執(zhí)行。進(jìn)程的這種執(zhí)行方式為異步性。

2.1進(jìn)程描述（續(xù)）2.1.2進(jìn)程的基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換進(jìn)程作為操作系統(tǒng)中的活躍元素，總是不斷的向前推進(jìn)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。1．進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)。進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，可用最基本的三態(tài)模型來(lái)描述，如圖2.1所示。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）I/O或事件完成中斷調(diào)度等待I/O或事件運(yùn)行狀態(tài)就緒狀態(tài)阻塞狀態(tài)圖2.1進(jìn)程的三個(gè)基本狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換就緒狀態(tài)（ready）

進(jìn)程在內(nèi)存中已經(jīng)具備執(zhí)行的條件，等待分配處理器。一旦被分配處理器，進(jìn)程立刻執(zhí)行。一個(gè)進(jìn)程在創(chuàng)建后處于就緒狀態(tài)。如果一個(gè)系統(tǒng)有多個(gè)進(jìn)程都處于就緒狀態(tài)，這些處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程以隊(duì)列方式進(jìn)行組織，這樣的隊(duì)列為就緒隊(duì)列。運(yùn)行狀態(tài)（running）

進(jìn)程已經(jīng)被分配處理器并正在執(zhí)行。在單處理器系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)。阻塞狀態(tài)（blocked）當(dāng)正在運(yùn)行的進(jìn)程由于發(fā)生某事件，如：請(qǐng)求并等待輸入/輸出過(guò)程的完成、等待進(jìn)程通信之間的進(jìn)程到來(lái)或進(jìn)程同步之間的進(jìn)程到來(lái)等，而受到阻塞不能繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，便需要放棄處理器，從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到阻塞狀態(tài)。如果一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)進(jìn)程都處于阻塞狀態(tài)，這些進(jìn)程被組織成隊(duì)列形式，稱為阻塞隊(duì)列。阻塞狀態(tài)也稱為等待（waiting）狀態(tài)。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）進(jìn)程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換有如下幾種形式：就緒狀態(tài)→運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)處理器空閑時(shí)，操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度程序會(huì)從就緒隊(duì)列中選中一個(gè)就緒進(jìn)程并分配給處理器，此時(shí)，進(jìn)程的狀態(tài)便從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)→阻塞狀態(tài)當(dāng)正在運(yùn)行的進(jìn)程由于需要等待某些事件的發(fā)生時(shí)，其狀態(tài)需要從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。阻塞狀態(tài)→就緒狀態(tài)當(dāng)處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，由于等待的事件到來(lái)而不需要再等待時(shí)，進(jìn)程狀態(tài)便從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換到就緒狀態(tài)。運(yùn)行狀態(tài)→就緒狀態(tài)正被處理運(yùn)行的進(jìn)程會(huì)被其他進(jìn)程中斷，如運(yùn)行的時(shí)間片到其他進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高等，而放棄處理器，進(jìn)程狀態(tài)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到就緒狀態(tài)，等待被再次調(diào)度。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）2.1進(jìn)程描述（續(xù)）進(jìn)程的基本狀態(tài)是對(duì)進(jìn)程動(dòng)態(tài)過(guò)程的簡(jiǎn)單描述。為了更加詳細(xì)的描述進(jìn)程狀態(tài)，需要考慮進(jìn)程的創(chuàng)建和終止兩個(gè)狀態(tài)。具有創(chuàng)建和終止?fàn)顟B(tài)的進(jìn)程狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2.2所示。圖2.2具有創(chuàng)建和結(jié)束狀態(tài)的進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換確認(rèn)事件或I/O完成中斷調(diào)度等待事件或I/O終止運(yùn)行狀態(tài)新建狀態(tài)就緒狀態(tài)阻塞狀態(tài)終止?fàn)顟B(tài)新建狀態(tài)

新建狀態(tài)是指操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，進(jìn)程所處的狀態(tài)。進(jìn)程新建成功后即轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)，在就緒進(jìn)程隊(duì)列中排隊(duì)。操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程需要為進(jìn)程分配資源。因此，操作系統(tǒng)將根據(jù)系統(tǒng)的性能和內(nèi)存容量的情況決定是否創(chuàng)建新的進(jìn)程。如果系統(tǒng)性能較差或內(nèi)存容量受到限制，不能為新進(jìn)程分配資源，則操作系統(tǒng)會(huì)發(fā)出創(chuàng)建新進(jìn)程失敗的響應(yīng)或?qū)?chuàng)建新進(jìn)程的工作推遲。終止?fàn)顟B(tài)

進(jìn)程達(dá)到了結(jié)束點(diǎn)或進(jìn)程出現(xiàn)了嚴(yán)重的錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)被操作系統(tǒng)終止或被其他有終止權(quán)的進(jìn)程終止。進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)的進(jìn)程不再被執(zhí)行，等待操作系統(tǒng)完成進(jìn)程終止處理。當(dāng)操作系統(tǒng)完成進(jìn)程終止處理后，操作系統(tǒng)會(huì)刪除進(jìn)程，收回進(jìn)程所占用的資源。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）2.1.3具有掛起功能的進(jìn)程狀態(tài)和轉(zhuǎn)換1．進(jìn)程掛起及掛起的原因

“掛起”是把內(nèi)存中暫時(shí)不能或不需要運(yùn)行的進(jìn)程從內(nèi)存對(duì)換到外存，從而引起進(jìn)程狀態(tài)變化的過(guò)程。進(jìn)程可以在就緒狀態(tài)被掛起，也可以在阻塞狀態(tài)被掛起，還可以在運(yùn)行狀態(tài)被掛起。引起進(jìn)程掛起的原因是多方面的，引起進(jìn)程掛起的主要原因有以下幾點(diǎn)。（1）系統(tǒng)資源的需要當(dāng)系統(tǒng)中所有的進(jìn)程均處于阻塞狀態(tài)時(shí)，沒(méi)有就緒進(jìn)程，處理器處于空閑。如果這時(shí)內(nèi)存空間已經(jīng)被進(jìn)程占滿，不能裝入更多的進(jìn)程，需要將內(nèi)存中處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程掛起，對(duì)換到外存上，讓出內(nèi)存空間接納新創(chuàng)建的進(jìn)程。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）（2）調(diào)節(jié)競(jìng)爭(zhēng)或消除故障的需要操作系統(tǒng)在檢查進(jìn)程運(yùn)行中競(jìng)爭(zhēng)資源的情況時(shí)，或在系統(tǒng)出現(xiàn)故障使某些功能受到破壞時(shí)，為了解決進(jìn)程的資源競(jìng)爭(zhēng)或消除系統(tǒng)故障，操作系統(tǒng)需要掛起某些對(duì)資源競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)程或懷疑引起系統(tǒng)故障的進(jìn)程，將進(jìn)程對(duì)換到外存。（3）終端用戶的需要終端用戶可以直接操作自己的程序。當(dāng)程序員需要調(diào)試、檢查和修改自己的程序時(shí)，可以要求掛起與程序相對(duì)應(yīng)的進(jìn)程，暫停進(jìn)程的推進(jìn)。（4）父進(jìn)程的需要父進(jìn)程對(duì)自己的子進(jìn)程實(shí)施控制、修改和檢查時(shí)，需要掛起自己的子進(jìn)程，暫停子進(jìn)程的推進(jìn)。（5）調(diào)節(jié)進(jìn)程的需要某些定期執(zhí)行的進(jìn)程，如系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)程、日志進(jìn)程等，在執(zhí)行時(shí)間未到而需要等待時(shí)，可以將進(jìn)程掛起，對(duì)換到外存，從而減輕內(nèi)存負(fù)擔(dān)。當(dāng)執(zhí)行時(shí)間到時(shí)，再將這些進(jìn)程激活換入到內(nèi)存。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）在操作系統(tǒng)中引入進(jìn)程掛起后，進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生了變化。進(jìn)程的狀態(tài)有：新建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、掛起就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、掛起阻塞狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)，如圖2.3所示。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）圖2.3引入掛起后的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換I/O或事件完成掛起激活確認(rèn)掛起激活I(lǐng)/O或事件完成確認(rèn)阻塞狀態(tài)掛起阻塞狀態(tài)就緒狀態(tài)掛起就緒狀態(tài)終止I/O或事件等待調(diào)度中斷運(yùn)行狀態(tài)結(jié)束新建狀態(tài)如果就緒狀態(tài)的進(jìn)程被掛起，則進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起就緒狀態(tài)。處于掛起就緒狀態(tài)的進(jìn)程一旦被激活，從掛起就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)。如果阻塞狀態(tài)的進(jìn)程被掛起，則進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起阻塞狀態(tài)。如果掛起阻塞狀態(tài)的進(jìn)程被激活，則進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)。如果掛起阻塞狀態(tài)的進(jìn)程到阻塞的事件或I/O過(guò)程完成，被喚醒，則進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為掛起就緒狀態(tài)，仍然被掛起。引入掛起后，當(dāng)進(jìn)程新建后，如果內(nèi)存足夠，則進(jìn)入就緒狀態(tài)；如果沒(méi)有足夠的內(nèi)存空間，則轉(zhuǎn)入到掛起就緒狀態(tài)。所有被掛起的進(jìn)程只有被激活后才能由外存到內(nèi)存，只有處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程才有可能被處理器運(yùn)行。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）

2.1.4進(jìn)程的描述1．進(jìn)程控制塊（ProcessControlBlock，PCB）進(jìn)程控制塊是對(duì)進(jìn)程本質(zhì)屬性的描述，是操作系統(tǒng)管理進(jìn)程所需要的基本信息。進(jìn)程控制塊中的信息：（1）進(jìn)程標(biāo)志信息

每個(gè)進(jìn)程都有兩種標(biāo)志符：內(nèi)部標(biāo)志符和外部標(biāo)志符。內(nèi)部標(biāo)志符是操作系統(tǒng)為進(jìn)程設(shè)置的一個(gè)唯一數(shù)字標(biāo)志，操作系統(tǒng)管理進(jìn)程時(shí)使用進(jìn)程的內(nèi)部標(biāo)志符。外部標(biāo)志符由字母和數(shù)字組成，是進(jìn)程創(chuàng)建者提供的進(jìn)程名。用戶訪問(wèn)進(jìn)程時(shí)使用進(jìn)程的外部標(biāo)志。進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，用戶給出進(jìn)程的外部標(biāo)志，操作系統(tǒng)給出進(jìn)程的內(nèi)部標(biāo)志。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）（2）處理機(jī)狀態(tài)信息處理機(jī)狀態(tài)信息是處理機(jī)的通用寄存器、指令寄存器、程序狀態(tài)字寄存器和用戶堆棧指針寄存器中的內(nèi)容。（3）進(jìn)程調(diào)度信息進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程的等待時(shí)間、進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間、與進(jìn)程狀態(tài)變化相關(guān)的事件等都包含在進(jìn)程調(diào)度信息中，是操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的依據(jù)。（4）進(jìn)程控制信息操作系統(tǒng)控制進(jìn)程需要的信息包括：程序和數(shù)據(jù)地址、進(jìn)程同步和通信機(jī)制信息、進(jìn)程的資源清單和鏈接指針。

當(dāng)操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)為進(jìn)程分配進(jìn)程控制塊。進(jìn)程控制塊的初始信息在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)寫(xiě)入，在進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中不斷被刷新。當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，操作系統(tǒng)回收進(jìn)程控制塊。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）2．進(jìn)程控制塊的組織形式（1）鏈接方式系統(tǒng)在每個(gè)進(jìn)程控制塊的首部和尾部設(shè)置鏈接指針，將處于相同狀態(tài)的進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，分別通過(guò)首部和尾部指針鏈接在一起，形成鏈接隊(duì)列，這樣的隊(duì)列稱為進(jìn)程隊(duì)列。操作系統(tǒng)保留每個(gè)隊(duì)列的起始指針。處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程，其進(jìn)程控制塊被鏈接成就緒隊(duì)列；處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，其進(jìn)程控制塊被鏈接成阻塞隊(duì)列。在進(jìn)程控制塊的鏈接隊(duì)列中，系統(tǒng)可以按照進(jìn)程等待時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行鏈接，可以將等待時(shí)間長(zhǎng)的進(jìn)程的進(jìn)程控制塊排在鏈接隊(duì)列的前面；系統(tǒng)也可以按照進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)或進(jìn)程需要執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)其進(jìn)行鏈接。處于相同狀態(tài)的進(jìn)程，還可以組織成多個(gè)隊(duì)列。如處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程，可以按照等待事件的不同類型，組織成不同的阻塞隊(duì)列。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）進(jìn)程控制塊的鏈接分為單向鏈接和雙向鏈接兩種形式。進(jìn)程控制塊的雙向鏈接形式如圖2.4所示。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）圖2.4進(jìn)程控制塊的鏈接形式當(dāng)進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)程從原來(lái)的進(jìn)程控制塊鏈接隊(duì)列中退出，進(jìn)入新?tīng)顟B(tài)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)程控制塊鏈接隊(duì)列。以鏈接方式組織進(jìn)程控制塊的主要優(yōu)點(diǎn)是直觀，體現(xiàn)了進(jìn)程的本身特性，如等待時(shí)間的長(zhǎng)短、優(yōu)先級(jí)的高低、需要處理時(shí)間的長(zhǎng)短，為進(jìn)程調(diào)度算法的實(shí)施提供了方便。以鏈接方式組織進(jìn)程控制塊的主要缺點(diǎn)是如果進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生變化，則鏈接隊(duì)列需要作相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)程控制塊中的首部和尾部指針需要改變。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）（2）索引方式索引方式是根據(jù)進(jìn)程的狀態(tài)分別建立進(jìn)程索引表，如就緒進(jìn)程索引表、阻塞進(jìn)程索引表，如圖2.5所示。索引表中的進(jìn)程控制塊指針指向進(jìn)程控制塊。操作系統(tǒng)將每個(gè)索引表的首地址放到硬件寄存器中，通過(guò)硬件寄存器可以快速得到每個(gè)索引表的首地址。圖2.5PCB索引組織方式2.1進(jìn)程描述（續(xù)）索引表中的進(jìn)程控制塊指針指向進(jìn)程控制塊。操作系統(tǒng)將每個(gè)索引表的首地址放到硬件寄存器中，通過(guò)硬件寄存器可以快速得到每個(gè)索引表的首地址。進(jìn)程控制塊的索引方式與鏈接方式比較，索引方式最明顯的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）通過(guò)索引表可以快速得到進(jìn)程控制塊地址，不

需要像鏈接方式一樣，從鏈?zhǔn)椎芥溛膊檎?；?）如果進(jìn)程狀態(tài)變化，不需要修改進(jìn)程控制塊的鏈接

指針，只需要增加或刪除索引表中的記錄。

索引方式的缺點(diǎn)為：索引表本身需要占用內(nèi)存空間，

搜索索引表需要時(shí)間。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）3．進(jìn)程的內(nèi)存映像進(jìn)程的內(nèi)存映像是進(jìn)程在內(nèi)存中的組成，包括如下內(nèi)容：進(jìn)程程序塊進(jìn)程程序塊為執(zhí)行的程序代碼，規(guī)定了進(jìn)程一次運(yùn)行需要完成的功能。進(jìn)程數(shù)據(jù)塊進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的全局變量、局部變量和常量等的存儲(chǔ)區(qū)以及開(kāi)辟的工作區(qū)。系統(tǒng)或用戶堆棧每個(gè)進(jìn)程捆綁的系統(tǒng)/用戶堆棧，用來(lái)解決過(guò)程調(diào)用或系統(tǒng)調(diào)用時(shí)的信息存儲(chǔ)和參數(shù)傳遞。進(jìn)程控制塊進(jìn)程的標(biāo)志信息、處理機(jī)狀態(tài)信息、進(jìn)程調(diào)度信息、進(jìn)程控制信息。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）3．進(jìn)程的內(nèi)存映像用戶進(jìn)程在虛擬存儲(chǔ)中的組織形式如圖2.6所示。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）進(jìn)程標(biāo)識(shí)信息處理機(jī)狀態(tài)信息、進(jìn)程調(diào)度信息進(jìn)程控制信息用戶堆棧用戶私有地址空間（代碼、數(shù)據(jù)）共享地址空間進(jìn)程控制塊圖2.6用戶進(jìn)程在虛擬內(nèi)存中的組織4．進(jìn)程的上下文

進(jìn)程的物理實(shí)體和支持進(jìn)程運(yùn)行的環(huán)境合稱為進(jìn)程上下文（processcontext）。進(jìn)程上下文包括：用戶級(jí)上下文（user-levelcontext）用戶級(jí)上下文由進(jìn)程的正文區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、用戶棧區(qū)和共享存儲(chǔ)區(qū)組成，在編譯目標(biāo)文件時(shí)生成，占據(jù)進(jìn)程的虛擬地址空間。進(jìn)程的正文區(qū)是只讀的程序指令，數(shù)據(jù)區(qū)存放的是程序運(yùn)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)，用戶棧區(qū)用來(lái)完成處理器運(yùn)行時(shí)的過(guò)程調(diào)用和返回、參數(shù)傳遞等。共享內(nèi)存區(qū)是與其它進(jìn)程共享的部分。系統(tǒng)級(jí)上下文（system-levelcontext）系統(tǒng)級(jí)上下文是由進(jìn)程控制塊、內(nèi)存管理信息、進(jìn)程環(huán)境塊和系統(tǒng)堆棧等組成的進(jìn)程地址空間。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）寄存器上下文（registercontext）。寄存器上下文由程序狀態(tài)寄存器、各類控制寄存器、地址寄存器、通用寄存器和用戶棧指針等組成。

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被系統(tǒng)調(diào)度而占有處理器時(shí)，會(huì)發(fā)生處理器在新老進(jìn)程之間切換，切換的內(nèi)容是進(jìn)程上下文，進(jìn)程運(yùn)行是在進(jìn)程的上下文中執(zhí)行的。2.1進(jìn)程描述（續(xù)）2.2進(jìn)程控制2.2.1進(jìn)程創(chuàng)建

操作系統(tǒng)為一個(gè)程序構(gòu)建一個(gè)進(jìn)程控制塊并分配地址空間后，就創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程。操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程主要步驟如下：（1）命名進(jìn)程：為進(jìn)程設(shè)置進(jìn)程標(biāo)志符；（2）從PCB集合中為新進(jìn)程申請(qǐng)一個(gè)空白PCB；（3）確定進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)；（4）為進(jìn)程的程序段、數(shù)據(jù)段和用戶棧分配內(nèi)存空間；如果進(jìn)程中需要共享某

個(gè)已在內(nèi)存的程序段，則必須建立共享程序段的鏈接指針。（5）為進(jìn)程分配除內(nèi)存外的其他各種資源。2.2進(jìn)程控制（續(xù)）2.2.1進(jìn)程創(chuàng)建（續(xù)）

（6）初始化進(jìn)程控制塊，將進(jìn)程的初始化信息寫(xiě)入進(jìn)程控制塊。（7）如果就緒隊(duì)列能夠接納新創(chuàng)建的進(jìn)程，則將新進(jìn)程插入到就緒隊(duì)列。（8）通知操作系統(tǒng)的其他管理模塊，如記賬程序、性能監(jiān)控程序等。2.2進(jìn)程控制（續(xù)）2.2.1進(jìn)程創(chuàng)建（續(xù)）

（6）初始化進(jìn)程控制塊，將進(jìn)程的初始化信息寫(xiě)入進(jìn)程控制塊。（7）如果就緒隊(duì)列能夠接納新創(chuàng)建的進(jìn)程，則將新進(jìn)程插入到就緒隊(duì)列。（8）通知操作系統(tǒng)的其他管理模塊，如記賬程序、性能監(jiān)控程序等。

在操作系統(tǒng)中，進(jìn)行資源管理和系統(tǒng)控制的進(jìn)程為系統(tǒng)進(jìn)程，系統(tǒng)進(jìn)程執(zhí)行系統(tǒng)代碼，在操作系統(tǒng)生成時(shí)創(chuàng)建。系統(tǒng)進(jìn)程承擔(dān)系統(tǒng)資源分配和管理，運(yùn)行在系統(tǒng)空間。用戶進(jìn)程是用戶為了完成自己的任務(wù)而創(chuàng)建的進(jìn)程，用戶進(jìn)程執(zhí)行用戶代碼，運(yùn)行在用戶空間。2.2進(jìn)程控制(續(xù))引起進(jìn)程的創(chuàng)建的事件：操作系統(tǒng)初始化當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通常會(huì)創(chuàng)建若干進(jìn)程，特別是一些常駐系統(tǒng)的進(jìn)程。這些進(jìn)程有的運(yùn)行在系統(tǒng)的前臺(tái)，供用戶交互；有的運(yùn)行在后臺(tái)，完成某些專門(mén)的功能。如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的電子郵件服務(wù)進(jìn)程，如果沒(méi)有郵件需要處理，則進(jìn)入休眠狀態(tài)；如果郵件到來(lái)，則該進(jìn)程被喚醒，處理接收到的郵件。提供用戶服務(wù)當(dāng)運(yùn)行中的程序需要某種服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)專門(mén)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程來(lái)提供所需要的服務(wù)，如打印文件、屏幕輸出等。分時(shí)系統(tǒng)用戶登錄當(dāng)用戶在終端鍵入登錄命令后，系統(tǒng)將為該終端用戶建立一個(gè)進(jìn)程。2.2進(jìn)程控制(續(xù))用戶請(qǐng)求系統(tǒng)創(chuàng)建新進(jìn)程在交互式系統(tǒng)中，用戶用鍵盤(pán)鍵入命令或用鼠標(biāo)點(diǎn)擊，則可以創(chuàng)建新進(jìn)程。如在Windows操作系統(tǒng)中，用戶可以用鍵盤(pán)運(yùn)行多個(gè)程序，或用鼠標(biāo)打開(kāi)多個(gè)窗口。每個(gè)程序或每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)一個(gè)新的進(jìn)程。執(zhí)行創(chuàng)建新進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用正在運(yùn)行的進(jìn)程由于程序自身需要可以用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新進(jìn)程。一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程，如果需要處理與其相關(guān)卻又相互獨(dú)立的事件，可以用系統(tǒng)調(diào)用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程來(lái)完成這樣的事件。如UNIX操作系統(tǒng)中父進(jìn)程用系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建子進(jìn)程，子進(jìn)程協(xié)同父進(jìn)程完成同一任務(wù)。批處理作業(yè)的初始化和調(diào)度用戶提交批處理作業(yè)，當(dāng)操作系統(tǒng)能夠提供資源時(shí)，作業(yè)調(diào)度程序按照一定的算法，從批處理作業(yè)清單中調(diào)度某個(gè)作業(yè)并裝入內(nèi)存，為作業(yè)分配必要的資源，創(chuàng)建作業(yè)的進(jìn)程。2.2進(jìn)程控制(續(xù))在許多操作系統(tǒng)中，把創(chuàng)建進(jìn)程的進(jìn)程稱為父進(jìn)程，被創(chuàng)建的新進(jìn)程稱為子進(jìn)程。一個(gè)父進(jìn)程可以創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程，一個(gè)子進(jìn)程只能屬于一個(gè)父進(jìn)程。從本質(zhì)上講，操作系統(tǒng)中能夠存在的最大進(jìn)程數(shù)受到系統(tǒng)內(nèi)存大小的限制。為了系統(tǒng)穩(wěn)定，大多數(shù)操作系統(tǒng)都能夠設(shè)置最大進(jìn)程數(shù)，多用戶操作系統(tǒng)允許在用戶之間調(diào)節(jié)各用戶的最大進(jìn)程數(shù)。2.2進(jìn)程控制(續(xù))2.2.2進(jìn)程的結(jié)束

進(jìn)程的結(jié)束從進(jìn)程結(jié)構(gòu)中消除進(jìn)程，將系統(tǒng)分配給進(jìn)程的資源歸還給系統(tǒng)。進(jìn)程結(jié)束的原因可歸納如下：進(jìn)程正常結(jié)束當(dāng)進(jìn)程需要處理的事件已經(jīng)完成，則進(jìn)程正常結(jié)束。進(jìn)程設(shè)置有結(jié)束標(biāo)志，操作系統(tǒng)識(shí)別進(jìn)程結(jié)束標(biāo)志后，結(jié)束進(jìn)程。用于進(jìn)程結(jié)束的標(biāo)志有批處理作業(yè)中的“halt”，多用戶系統(tǒng)中的“l(fā)ogoff”，用戶程序中的“end”等。操作異常退出在一般情況下進(jìn)程執(zhí)行了非法指令，如執(zhí)行了特權(quán)指令、除零和操作數(shù)溢出等引起的算術(shù)錯(cuò)誤，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程異常結(jié)束。時(shí)間指標(biāo)超限引起的進(jìn)程異常結(jié)束進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間超過(guò)所分配的最大時(shí)間限制，等待時(shí)間超過(guò)了所設(shè)定的最大等待時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程異常結(jié)束。2.2進(jìn)程控制(續(xù))多個(gè)進(jìn)程之間競(jìng)爭(zhēng)資源多個(gè)進(jìn)程由于相互競(jìng)爭(zhēng)資源，發(fā)生沖突，使得進(jìn)程被中止而異常結(jié)束。進(jìn)程之間競(jìng)爭(zhēng)的資源可能是硬件或軟件資源。內(nèi)存的使用出錯(cuò)內(nèi)存資源有限，如果內(nèi)存不足，或者內(nèi)存越界錯(cuò)誤，或者對(duì)內(nèi)存共享區(qū)的非法使用都可能發(fā)生進(jìn)程異常結(jié)束。父進(jìn)程結(jié)束在有的操作系統(tǒng)中，父進(jìn)程結(jié)束，會(huì)引起父進(jìn)程下的子進(jìn)程結(jié)束。操作系統(tǒng)終止操作系統(tǒng)終止會(huì)使操作系統(tǒng)中的所有進(jìn)程結(jié)束。2.2進(jìn)程控制(續(xù))進(jìn)程結(jié)束過(guò)程以下三步。（1）通過(guò)結(jié)束進(jìn)程的標(biāo)志符，在進(jìn)程控制塊隊(duì)列中找到

結(jié)束進(jìn)程的進(jìn)程控制塊，根據(jù)進(jìn)程控制塊中的信息，

將進(jìn)程所擁有的資源歸還給父進(jìn)程或操作系統(tǒng)。（2）將結(jié)束進(jìn)程從進(jìn)程隊(duì)列中撤銷，將進(jìn)程控制塊歸還

到進(jìn)程控制塊集合中。（3）如果結(jié)束的進(jìn)程有子進(jìn)程，進(jìn)程結(jié)束相對(duì)比較復(fù)雜。有些操作系統(tǒng)中，如果父進(jìn)程結(jié)束，其相應(yīng)的子進(jìn)程也自動(dòng)結(jié)束；些操作系統(tǒng)中，父進(jìn)程結(jié)束對(duì)子進(jìn)程沒(méi)有明顯的影響，父進(jìn)程結(jié)束后，會(huì)將子進(jìn)程交給系統(tǒng)進(jìn)程管理。2.2進(jìn)程控制(續(xù))

2.2.3進(jìn)程阻塞和喚醒

進(jìn)程阻塞是進(jìn)程的一種自主行為，是進(jìn)程為了等待某事件的發(fā)生，或等待輸入/輸出操作的完成，而自己調(diào)用系統(tǒng)原語(yǔ)使得自己放棄處理器，進(jìn)入阻塞隊(duì)列中等待。進(jìn)程阻塞需要完成如下工作：（1）停止進(jìn)程在處理器中執(zhí)行，保存現(xiàn)場(chǎng)信息到進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中。（2）修改進(jìn)程控制塊中的進(jìn)程狀態(tài)等相關(guān)內(nèi)容，并將進(jìn)程控制塊加入到相應(yīng)阻塞進(jìn)程的進(jìn)程控制塊隊(duì)列中。（3）進(jìn)程調(diào)度程序轉(zhuǎn)入其他進(jìn)程調(diào)度。2.2進(jìn)程控制(續(xù))當(dāng)?shù)却氖录絹?lái)或等待的輸入/輸出操作完成時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，激活操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)的控制下阻塞的進(jìn)程被喚醒。被喚醒的進(jìn)程其進(jìn)程狀態(tài)由阻塞轉(zhuǎn)換為就緒。喚醒進(jìn)程的主要工作是修改進(jìn)程控制塊中的狀態(tài)，將進(jìn)程控制塊轉(zhuǎn)入到就緒進(jìn)程的進(jìn)程控制塊隊(duì)列。

進(jìn)程的阻塞和喚醒雖然是一對(duì)相反的操作，但是發(fā)生這兩個(gè)操作的主體和客體卻有區(qū)別。進(jìn)程阻塞是進(jìn)程的自我行為，主體和客體是同一進(jìn)程；進(jìn)程喚醒是被動(dòng)行為，是當(dāng)前處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程被其它進(jìn)程喚醒，主體和客體是兩個(gè)不同的進(jìn)程。如果某個(gè)進(jìn)程因?yàn)槟撤N原因而調(diào)用阻塞原語(yǔ)進(jìn)入阻塞時(shí)，只有與其相關(guān)的處于非阻塞狀態(tài)的進(jìn)程調(diào)用喚醒原語(yǔ)將阻塞進(jìn)程喚醒。2.2進(jìn)程控制(續(xù))

2.2.4進(jìn)程的掛起和激活處于阻塞狀態(tài)、就緒狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程都可以被掛起根據(jù)進(jìn)程掛起前的狀態(tài)決定掛起后的狀態(tài)。如果進(jìn)程被掛起，進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中的信息要修改，進(jìn)程上下文被放到外存。如果進(jìn)程掛起的時(shí)間到或者內(nèi)存資源充足時(shí)，系統(tǒng)或有關(guān)進(jìn)程，特別是進(jìn)程同步中的原語(yǔ)操作，會(huì)激活被掛起的進(jìn)程。激活進(jìn)程的主要工作是將進(jìn)程上下文從外存調(diào)入內(nèi)存，修改進(jìn)程控制塊信息并調(diào)入內(nèi)存，修改進(jìn)程控制塊中的進(jìn)程狀態(tài)，并按照進(jìn)程狀態(tài)將進(jìn)程控制塊排入到相應(yīng)的進(jìn)程隊(duì)列。2.2進(jìn)程控制(續(xù))2.2.5執(zhí)行的模式內(nèi)核是操作系統(tǒng)中核心功能的集合，包括如下功能：進(jìn)程管理進(jìn)程管理主要為進(jìn)程的創(chuàng)建和終止、進(jìn)程的調(diào)度和分派、進(jìn)程轉(zhuǎn)換、進(jìn)程的同步和進(jìn)程通信的支持組成。存儲(chǔ)器管理存儲(chǔ)器管理主要為分配和回收存儲(chǔ)器空間、內(nèi)存保護(hù)和兌換、虛擬存儲(chǔ)器管理。設(shè)備管理設(shè)備管理為緩沖區(qū)管理、I/O控制方式、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、設(shè)備分配、設(shè)備獨(dú)立性功能模塊。支持功能支持功能主要為中斷處理、時(shí)鐘管理、原語(yǔ)操作。2.2進(jìn)程控制(續(xù))2.2.5執(zhí)行的模式操作系統(tǒng)的主要功能是處理器管理、存儲(chǔ)器管理、設(shè)備管理、文件管理和用戶接口，而內(nèi)核涵蓋了操作系統(tǒng)主要功能中的大部分。為了對(duì)操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，避免用戶程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的破壞，將處理器運(yùn)行分為與操作系統(tǒng)有關(guān)的模式和與用戶程序有關(guān)的模式。2.2進(jìn)程控制(續(xù))與操作系統(tǒng)有關(guān)的模式包括系統(tǒng)模式（systemmode）、控制模式（controlmode）和內(nèi)核模式（kernalmode），是較高特權(quán)模式。與用戶有關(guān)的模式是較低特權(quán)模式，用戶程序只能在這樣的級(jí)別執(zhí)行。在內(nèi)核模式下，系統(tǒng)軟件對(duì)處理器和所有指令、寄存器、存儲(chǔ)器擁有全部控制權(quán)，而用戶模式不需要這樣的控制權(quán)。在系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位顯示當(dāng)前處理器所處的模式，該標(biāo)志位因系統(tǒng)對(duì)事件的響應(yīng)改變，如果用戶程序中調(diào)用了操作系統(tǒng)服務(wù)，則處理器的模式會(huì)從用戶模式變?yōu)閮?nèi)核模式，在從操作系統(tǒng)服務(wù)中回到一般的用戶程序后，處理器的模式又從內(nèi)核模式變?yōu)橛脩裟Ｊ健?.2進(jìn)程控制(續(xù))2.2.6操作系統(tǒng)的運(yùn)行

操作系統(tǒng)是軟件，需要處理器運(yùn)行，與普通程序不同，操作系統(tǒng)需要控制處理器運(yùn)行。操作系統(tǒng)的運(yùn)行有下面三種方式。（1）在進(jìn)程以外運(yùn)行在許多早期的操作系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)在進(jìn)程以外運(yùn)行，操作系統(tǒng)有自己的內(nèi)存區(qū)和系統(tǒng)棧。如果當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程發(fā)生中斷或執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用，則保留進(jìn)程的處理器狀態(tài)，內(nèi)核得到控制權(quán)，操作系統(tǒng)按照自己的棧情況，在自己的內(nèi)存區(qū)中運(yùn)行。在操作系統(tǒng)的操作完成后，會(huì)恢復(fù)中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)用其他的進(jìn)程運(yùn)行。進(jìn)程的概念只適合用戶程序，操作系統(tǒng)代碼在特權(quán)模式下作為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體運(yùn)行。2.2進(jìn)程控制(續(xù))（2）在用戶進(jìn)程中運(yùn)行在小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中將所有的操作系統(tǒng)軟件作為用戶進(jìn)程的內(nèi)容執(zhí)行。操作系統(tǒng)作為供用戶程序調(diào)用的功能集合，在用戶進(jìn)程環(huán)境下執(zhí)行。在任何時(shí)刻，操作系統(tǒng)都管理若干個(gè)進(jìn)程映像，每個(gè)進(jìn)程映像不僅包括進(jìn)程控制塊、進(jìn)程對(duì)應(yīng)的程序、數(shù)據(jù)和相關(guān)的堆棧，還包括供操作系統(tǒng)內(nèi)核程序使用的程序和數(shù)據(jù)、堆棧等。操作系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)處于共享地址空間，可由所有用戶進(jìn)程共享。在用戶程序執(zhí)行中，如果發(fā)生了中斷或系統(tǒng)調(diào)用，正在執(zhí)行的進(jìn)程的上下文被保存并發(fā)生上下文切換，但是，處理器的運(yùn)行仍然在當(dāng)前用戶進(jìn)程的內(nèi)部，沒(méi)有發(fā)生用戶進(jìn)程的切換，上下文的切換在同一進(jìn)程內(nèi)部發(fā)生。在中斷完成或系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束后，當(dāng)前進(jìn)程中的上下文被恢復(fù)，處理器仍然執(zhí)行當(dāng)前進(jìn)程。在用戶進(jìn)程中運(yùn)行操作系統(tǒng)程序的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)帶來(lái)兩個(gè)進(jìn)程切換的開(kāi)銷。2.2進(jìn)程控制(續(xù))（3）作為獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行將操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)進(jìn)程的集合來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作系統(tǒng)內(nèi)核部分的軟件在內(nèi)核模式下執(zhí)行，作為獨(dú)立進(jìn)程進(jìn)行組織。在這種情況下，只有少部分操作系統(tǒng)代碼會(huì)執(zhí)行在所有進(jìn)程外。操作系統(tǒng)作為獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的模塊化。在多處理器或多計(jì)算機(jī)環(huán)境下，能夠使一些操作系統(tǒng)的服務(wù)轉(zhuǎn)移到其它的處理器中，提高了操作系統(tǒng)性能。2.3前

趨

圖前趨圖是為了更好的描述多個(gè)進(jìn)程之間的關(guān)系而引入的無(wú)循環(huán)方向圖，如圖2.7所示。節(jié)點(diǎn)用于表示一個(gè)進(jìn)程或一段程序，節(jié)點(diǎn)之間用一個(gè)有方向的線段相連方向表示所連接的節(jié)點(diǎn)之間的前趨和后繼關(guān)系，被指向的節(jié)點(diǎn)為后繼節(jié)點(diǎn)，離開(kāi)箭頭的節(jié)點(diǎn)是前趨節(jié)點(diǎn)。如果用

表示前趨與后繼，則Pi為前趨節(jié)點(diǎn)，Pj為后繼節(jié)點(diǎn)。前趨圖中節(jié)點(diǎn)之間不存在循環(huán)關(guān)系。圖2.7前趨圖表示P5P6P0P1P2P3P4例：有S1、S2、S3、S4四條語(yǔ)句，S1:a:=x+4S2:b:=y+8S3:c:=a+bS4:d:=a+c將S1、S2、S3、S4四條語(yǔ)句分別看成前趨圖中的節(jié)點(diǎn)，則語(yǔ)句關(guān)系用前趨圖表示如圖2.8所示。圖2.8前趨圖表示2.3前

趨

圖例：有7個(gè)進(jìn)程，P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6，用前趨圖表示如圖2.9所示。前趨圖描述了進(jìn)程之間的復(fù)雜關(guān)系。

借助于前趨圖，可以分析進(jìn)程之間的運(yùn)行關(guān)系，特別是并發(fā)環(huán)境下進(jìn)程之間的關(guān)系。圖2.9多個(gè)進(jìn)程的前趨圖表示2.3前

趨

圖2.4UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程描述和控制2.4.1UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)不同的操作系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際描述進(jìn)程的需要可以定義進(jìn)程的各種狀態(tài)。在UNIX操作系統(tǒng)中，進(jìn)程的狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2.10所示。

圖2.10UNIX的進(jìn)程狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換2.4.1UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)

UNIX有9個(gè)進(jìn)程狀態(tài)。（1）創(chuàng)建狀態(tài)：進(jìn)程的初始狀態(tài)，進(jìn)程未進(jìn)入就緒狀態(tài)之前的情形。（2）內(nèi)存就緒狀態(tài)：進(jìn)程已具備執(zhí)行條件，等待系統(tǒng)調(diào)度程序調(diào)度進(jìn)程執(zhí)行。（3）換出就緒狀態(tài)：為了節(jié)約內(nèi)存，將處于內(nèi)存就緒狀態(tài)的進(jìn)程換出到外存，相當(dāng)于進(jìn)程的掛起就緒狀態(tài)。換出就緒進(jìn)程需要換入內(nèi)存，成為內(nèi)存就緒狀態(tài)后才能被調(diào)度執(zhí)行。（4）核心態(tài)執(zhí)行：處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程，此時(shí)進(jìn)程執(zhí)行的是操作系統(tǒng)核心程序。如果用戶程序中出現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，則系統(tǒng)調(diào)用部分切換到核心態(tài)下執(zhí)行。（5）用戶態(tài)執(zhí)行：處于執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程，此時(shí)執(zhí)行的是用戶程序。（6）內(nèi)存睡眠狀態(tài)：與進(jìn)程阻塞狀態(tài)對(duì)應(yīng)，進(jìn)程在內(nèi)存中等待輸入/輸出操作的完成或等待事件的發(fā)生。內(nèi)存睡眠狀態(tài)的進(jìn)程被喚醒后轉(zhuǎn)換為內(nèi)存就緒狀態(tài)。2.4.1UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程狀態(tài)

（7）換出睡眠狀態(tài)：相當(dāng)于進(jìn)程的掛起阻塞狀態(tài)。將處于睡眠狀態(tài)的進(jìn)程換出到外存，當(dāng)進(jìn)程被喚醒后處于換出就緒狀態(tài)。（8）被搶占狀態(tài)：當(dāng)用戶進(jìn)程完成系統(tǒng)調(diào)用從核心態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)，被另一個(gè)進(jìn)程搶占，從核心態(tài)返回的用戶進(jìn)程置于被搶占狀態(tài)。處于被搶占狀態(tài)的進(jìn)程與處于內(nèi)存就緒狀態(tài)的進(jìn)程相同，都是等待再次被調(diào)度執(zhí)行，因此在圖2.10中用虛線將內(nèi)存就緒狀態(tài)與被搶占狀態(tài)連接起來(lái)。如果進(jìn)程處于內(nèi)核模式，則不能被搶占。從這一點(diǎn)來(lái)講，UNIX操作系統(tǒng)不適合實(shí)時(shí)處理。（9）僵死狀態(tài)：也稱為進(jìn)程結(jié)束狀態(tài)。處于該狀態(tài)的進(jìn)程已不存在，但會(huì)在其父進(jìn)程中留下進(jìn)程的結(jié)束碼及計(jì)時(shí)統(tǒng)計(jì)信息等。當(dāng)進(jìn)程需要正常結(jié)束時(shí)，可以用系統(tǒng)調(diào)用exit進(jìn)入僵死狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)程需要異常結(jié)束時(shí)，可以接收軟中斷信號(hào)進(jìn)入僵死狀態(tài)。僵死狀態(tài)是進(jìn)程的最后狀態(tài)。2.4.2UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程的描述和控制

1．UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程描述UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括進(jìn)程控制塊、用戶級(jí)上下文、系統(tǒng)級(jí)上下文和寄存器上下文。用戶級(jí)上下文由進(jìn)程的正文、數(shù)據(jù)、用戶棧和共享存儲(chǔ)區(qū)組成，占據(jù)進(jìn)程的虛地址空間。系統(tǒng)級(jí)上下文由進(jìn)程表項(xiàng)、U區(qū)、進(jìn)程區(qū)表和系統(tǒng)棧組成。進(jìn)程表由進(jìn)程控制塊組成，每個(gè)進(jìn)程控制塊占據(jù)進(jìn)程表的一個(gè)表項(xiàng)。每個(gè)進(jìn)程的系統(tǒng)級(jí)上下文中都有指向進(jìn)程表項(xiàng)的指針，通過(guò)該指針得到每個(gè)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊。U區(qū)存放的是進(jìn)程表項(xiàng)的擴(kuò)充信息，有進(jìn)程表項(xiàng)指針、用戶標(biāo)志符、信號(hào)句柄數(shù)組、控制終端、錯(cuò)誤域、返回值、I/O參數(shù)、文件參數(shù)、用戶文件描述表和限制值。進(jìn)程區(qū)表定義進(jìn)程的虛地址到物理地址的映射，即通常意義的頁(yè)表或段表。系統(tǒng)棧是進(jìn)程在核心態(tài)執(zhí)行時(shí)使用的棧。寄存器上下文由程序狀態(tài)寄存器、各類控制寄存器、地址寄存器、通用寄存器和用戶棧指針等組成。2.4.2UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程的描述和控制（續(xù)）2．UNIX操作系統(tǒng)的進(jìn)程控制（1）進(jìn)程創(chuàng)建在UNIX操作系統(tǒng)中用系統(tǒng)調(diào)用fork創(chuàng)建新進(jìn)程。系統(tǒng)調(diào)用fork運(yùn)行在內(nèi)核模式，其步驟為：為新進(jìn)程在進(jìn)程表中分配一個(gè)表項(xiàng)，即構(gòu)建進(jìn)程控制塊；為新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)志符pid；通過(guò)拷貝父進(jìn)程的進(jìn)程映像來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，新進(jìn)程獲得其父進(jìn)程地址空間的一份拷貝；將新進(jìn)程的進(jìn)程狀態(tài)等信息寫(xiě)入進(jìn)程表中相應(yīng)的進(jìn)程表項(xiàng)；增加與該進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的文件表和索引節(jié)點(diǎn)表的引用數(shù)，并將創(chuàng)建的新進(jìn)程的進(jìn)程標(biāo)志返回給父進(jìn)程，收到父進(jìn)程返回的信號(hào)則標(biāo)志新進(jìn)程創(chuàng)建完畢。新進(jìn)程創(chuàng)建后拷貝其父進(jìn)程的上下文，新進(jìn)程可以使用父進(jìn)程的當(dāng)前目錄和根目錄以及已打開(kāi)的文件，當(dāng)然，文件的引用計(jì)數(shù)要加1。由于父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)希望子進(jìn)程結(jié)束后能把控制返回給父進(jìn)程，所以子進(jìn)程不能覆蓋父進(jìn)程給予的控制區(qū)。在UNIX操作系統(tǒng)中可以用系統(tǒng)調(diào)用exec創(chuàng)建子進(jìn)程，與系統(tǒng)調(diào)用fork創(chuàng)建子進(jìn)程不同，exec創(chuàng)建的子進(jìn)程會(huì)完全覆蓋父進(jìn)程的上下文，父進(jìn)程在子進(jìn)程創(chuàng)建成功后自動(dòng)消失，不會(huì)出現(xiàn)父進(jìn)程與子進(jìn)程并發(fā)的情況。（2）終止進(jìn)程當(dāng)進(jìn)程的任務(wù)完成后，為了收回進(jìn)程所占用的系統(tǒng)資源和減少父進(jìn)程的負(fù)擔(dān)，可以用系統(tǒng)調(diào)用exit來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的自我終止。進(jìn)程的自我終止可以在正常情況下，也可以在異常情況下。2.4.2UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程的描述和控制（續(xù)）（2）終止進(jìn)程當(dāng)進(jìn)程的任務(wù)完成后，為了收回進(jìn)程所占用的系統(tǒng)資源和減少父進(jìn)程的負(fù)擔(dān)，可以用系統(tǒng)調(diào)用exit來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的自我終止。進(jìn)程的自我終止可以在正常情況下，也可以在異常情況下。系統(tǒng)調(diào)用exit的步驟如下：關(guān)閉進(jìn)程的軟中斷信號(hào)；如果進(jìn)程是與控制終端相連的進(jìn)程組組長(zhǎng)，則向本組進(jìn)程發(fā)出掛起信號(hào)；關(guān)閉所有打開(kāi)的文件；釋放進(jìn)程的上下文、當(dāng)前目錄；記錄進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的統(tǒng)計(jì)信息；進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換為進(jìn)入僵死狀態(tài)；2.4.2UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程的描述和控制（續(xù)）將未結(jié)束的子進(jìn)程交給系統(tǒng)進(jìn)程收容，使這些子進(jìn)程成為系統(tǒng)進(jìn)程的合法子進(jìn)程；保留進(jìn)程表項(xiàng)，通知并等待父進(jìn)程；父進(jìn)程發(fā)回信息，釋放進(jìn)程所占用的資源。

在子進(jìn)程和父進(jìn)程的終止關(guān)系上系統(tǒng)調(diào)用wait起著非常特殊的作用。當(dāng)父進(jìn)程要自我終止時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用wait將自己掛起，如果父進(jìn)程無(wú)子進(jìn)程，系統(tǒng)調(diào)用wait會(huì)返回一個(gè)出錯(cuò)碼，父進(jìn)程自我結(jié)束。如果父進(jìn)程的子進(jìn)程已進(jìn)入僵死狀態(tài)，則系統(tǒng)調(diào)用wait的結(jié)果是收回子進(jìn)程的進(jìn)程表項(xiàng)，并將子進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間加到父進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間上。如果子進(jìn)程不能結(jié)束，則父進(jìn)程等待子進(jìn)程終止，接收子進(jìn)程的返回狀態(tài)和返回參數(shù)。2.4.2UNIX操作系統(tǒng)進(jìn)程的描述和控制（續(xù)）2.4.3UNIX操作系統(tǒng)的多級(jí)進(jìn)程關(guān)系

在進(jìn)程之間的關(guān)系上，UNIX按照多層次結(jié)構(gòu)方式組織進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以再創(chuàng)建新進(jìn)程，構(gòu)成父進(jìn)程和子進(jìn)程之間的關(guān)系。創(chuàng)建的新進(jìn)程為子進(jìn)程，原來(lái)的進(jìn)程為父進(jìn)程。每個(gè)子進(jìn)程只有一個(gè)父進(jìn)程，每個(gè)父進(jìn)程可以創(chuàng)建多個(gè)子進(jìn)程。多級(jí)進(jìn)程結(jié)構(gòu)，如圖2.11所示。圖2.11UNIX多級(jí)進(jìn)程結(jié)構(gòu)2.4.3UNIX操作系統(tǒng)的多級(jí)進(jìn)程關(guān)系（續(xù)）在進(jìn)程結(jié)構(gòu)的最上層進(jìn)程是進(jìn)程標(biāo)志（PID）為0的進(jìn)程，其主要任務(wù)是完成進(jìn)程調(diào)度，也稱為scheduled（或sched）進(jìn)程。所有的進(jìn)程都是在scheduled進(jìn)程下向下生成的多級(jí)進(jìn)程。進(jìn)程scheduled通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用fork創(chuàng)建進(jìn)程標(biāo)識(shí)（PID）為1的初始化進(jìn)程init。初始化進(jìn)程init通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用exec生成駐守在機(jī)器上的進(jìn)程：logger、update、cron、lpsched和getty進(jìn)程集等。其中，getty進(jìn)程集負(fù)責(zé)監(jiān)視每個(gè)終端上的用戶注冊(cè)情況，準(zhǔn)備接收用戶登錄。如果操作系統(tǒng)承擔(dān)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，則駐守進(jìn)程還包含網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)程httpd、sendmail、ftp等。由于exec系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新進(jìn)程后，父進(jìn)程便會(huì)消失。因此，最終init進(jìn)程消失，而scheduled進(jìn)程一直存在于操作系統(tǒng)中，工作時(shí)被喚醒，不工作時(shí)處于睡眠狀態(tài)。2.5線程的描述與控制

2.5.1線程及其特征1．線程進(jìn)程作為資源分配和調(diào)度的單位給并發(fā)環(huán)境下的程序設(shè)計(jì)帶來(lái)了如下問(wèn)題：進(jìn)程切換需要系統(tǒng)付出的開(kāi)銷大在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，操作系統(tǒng)需要為進(jìn)程構(gòu)建進(jìn)程控制塊，分配內(nèi)存和各種設(shè)備，以進(jìn)程為單位進(jìn)行調(diào)度；在進(jìn)程撤銷時(shí)，必須將進(jìn)程的進(jìn)程控制塊和所占用的全部資源回收。因此，進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷和進(jìn)程切換需要系統(tǒng)付出的代價(jià)太高。進(jìn)程切換是進(jìn)程上下文的切換。如果切換的兩個(gè)進(jìn)程之間有公共的地址空間和可共享的數(shù)據(jù)，則沒(méi)有必要將兩個(gè)進(jìn)程的上下文完全切換。2.5線程的描述與控制

2.5.1線程及其特征1．線程

進(jìn)程通信的代價(jià)高進(jìn)程通信需要通信進(jìn)程之間或通信進(jìn)程與操作系統(tǒng)之間的信息傳遞，代價(jià)高。如果運(yùn)行的是同一個(gè)作業(yè)，需要有輸入/輸出處理和計(jì)算處理，分別將輸入/輸出處理和計(jì)算處理用兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程并發(fā)完成。這兩個(gè)進(jìn)程之間通過(guò)進(jìn)程通信來(lái)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，不能利用同一作業(yè)的程序和數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢(shì)。進(jìn)程的并發(fā)度不高進(jìn)程切換和通信都需要付出較大的系統(tǒng)開(kāi)銷，降低了系統(tǒng)的并發(fā)度。2.5.1線程及其特征（續(xù)）

在進(jìn)程的基礎(chǔ)上需要提出新的并發(fā)機(jī)制，需要將進(jìn)程作為資源分配的單位和調(diào)度單位分離開(kāi)來(lái)，讓進(jìn)程只作為資源分配的單位，而用新的概念—線程，作為調(diào)度的基本單位。引入線程后，系統(tǒng)的并發(fā)程度更高。

線程是操作系統(tǒng)進(jìn)程中能夠獨(dú)立執(zhí)行的實(shí)體，是進(jìn)程的組成部分，是處理器調(diào)度的基本單位。在一個(gè)進(jìn)程中允許多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的線程，同一進(jìn)程的線程共享進(jìn)程獲得的內(nèi)存空間和資源，但不獨(dú)立擁有進(jìn)程資源。2.5.1線程及其特征（續(xù)）2．線程的特征線程作為在操作系統(tǒng)中存在的實(shí)體有如下特征：并發(fā)性共享性動(dòng)態(tài)性結(jié)構(gòu)性線程是操作系統(tǒng)中的基本調(diào)度和分派單位，線程具有唯一的標(biāo)志符和線程控制塊。線程控制塊中包含有線程的一切私有信息。2.5.1線程及其特征（續(xù)）線程與進(jìn)程的特征比較：進(jìn)程和線程都具有并發(fā)性、異步性、結(jié)構(gòu)性；不同的是進(jìn)程具有獨(dú)立性，是獨(dú)立的資源分配和調(diào)度單位，而線程具有共享性，所有屬于同一進(jìn)程的線程共享進(jìn)程的資源；進(jìn)程中包含有程序運(yùn)行的管理信息，即指令代碼、全局?jǐn)?shù)據(jù)和I/O狀態(tài)數(shù)據(jù)等；線程中包含有程序的執(zhí)行信息，即CPU寄存器信息、用戶棧和內(nèi)核棧信息、局部變量、過(guò)程調(diào)用參數(shù)、返回值等各線程的私有部分的信息。2.5.1線程及其特征（續(xù)）一個(gè)進(jìn)程中可以只有一個(gè)線程，該線程可以完全使用進(jìn)程的所有資源，如圖2.12所示。一個(gè)進(jìn)程中可以有多個(gè)線程，多個(gè)線程共享進(jìn)程的所有資源，如圖2.13所示。圖2.12單線程進(jìn)程圖2.13多線程進(jìn)程例如，在Windows系統(tǒng)中進(jìn)行Word文檔編輯時(shí)，為了避免突然斷電或系統(tǒng)崩潰，每隔一定的時(shí)間字處理程序會(huì)在磁盤(pán)上自動(dòng)保存整個(gè)文件。如果采用單線程實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用，則處理程序存盤(pán)時(shí)，用戶的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)命令就會(huì)被忽略，系統(tǒng)性能較差。如果讓鍵盤(pán)和鼠標(biāo)命令中斷磁盤(pán)備份，則中斷程序設(shè)計(jì)會(huì)很復(fù)雜。如果采用三個(gè)線程實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用，一個(gè)線程用于與用戶交互，接收用戶的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)操作，一個(gè)線程用于處理文檔的格式，一個(gè)線程用于周期性地寫(xiě)磁盤(pán)備份，則這三個(gè)線程操作在相同的用戶地址空間共享公共數(shù)據(jù)。訪問(wèn)的是相同的數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)的不一致性。如果采用三個(gè)進(jìn)程代替三個(gè)線程，則三個(gè)進(jìn)程在各自的文件上工作，三個(gè)進(jìn)程對(duì)應(yīng)的文件很難保持一致性?？梢?jiàn)，同一進(jìn)程的多個(gè)線程共享進(jìn)程的資源和地址空間，這是線程的一個(gè)非常突出的優(yōu)勢(shì)，也是很多應(yīng)用程序采用線程實(shí)現(xiàn)的主要原因。2.5.1線程及其特征（續(xù)）2.5.2線程的狀態(tài)與控制

多線程技術(shù)主要用于多處理器系統(tǒng)下，特別是近年來(lái)多核技術(shù)的出現(xiàn)，在每個(gè)獨(dú)立的處理器核上獨(dú)立執(zhí)行線程的代碼流，符合現(xiàn)代操作系統(tǒng)的思想，使得系統(tǒng)的性能大大提高。

由于線程不是資源的擁有單位，因此，與進(jìn)程掛起相關(guān)的狀態(tài)，對(duì)線程不具有意義。因?yàn)槿绻粋€(gè)進(jìn)程被掛起并被換出內(nèi)存，則進(jìn)程的所有線程由于共享進(jìn)程的地址空間，也必須全部換出內(nèi)存，所以，掛起操作引起的狀態(tài)變化是進(jìn)程級(jí)狀態(tài)變化，不作為線程狀態(tài)變化。線程的狀態(tài)有：新建狀態(tài)、就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)。2.5.2線程的狀態(tài)與控制

對(duì)于線程的阻塞狀態(tài)，有兩種實(shí)現(xiàn)方法。一種實(shí)現(xiàn)方法認(rèn)為，只要有線程申請(qǐng)系統(tǒng)資源或線程之間相互通信，或由于其他事件而阻塞，相應(yīng)線程的進(jìn)程也進(jìn)入阻塞狀態(tài)，這樣，進(jìn)程的所有線程都進(jìn)入阻塞狀態(tài)，而不管是否有的線程會(huì)處于就緒狀態(tài)；另一種實(shí)現(xiàn)方法認(rèn)為，只要有線程申請(qǐng)系統(tǒng)資源而阻塞，不會(huì)將相應(yīng)線程的進(jìn)程阻塞。這樣，進(jìn)程的所有線程，只要有線程處于就緒狀態(tài)，則仍然有機(jī)會(huì)被調(diào)度。

在這兩種方法中，后面一種方法更具有靈活性，系統(tǒng)的性能更優(yōu)。2.5.2線程的狀態(tài)與控制（續(xù)）線程的狀態(tài)及狀態(tài)變化如圖2.14所示。圖2.14線程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換確認(rèn)事件或I/O完成中斷調(diào)度等待事件或I/O終止運(yùn)行狀態(tài)新建狀態(tài)就緒狀態(tài)阻塞狀態(tài)終止?fàn)顟B(tài)2.5.2線程的狀態(tài)與控制（續(xù)）在一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行，由于這些并發(fā)執(zhí)行的線程之間共享進(jìn)程的所有資源，線程之間的切換在進(jìn)程內(nèi)部進(jìn)行，線程切換比獨(dú)立的進(jìn)程切換更加快速，開(kāi)銷也更小。在一個(gè)進(jìn)程中創(chuàng)建一個(gè)線程比單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程所需要的存儲(chǔ)器開(kāi)銷和時(shí)間開(kāi)銷更小。在同一進(jìn)程的線程之間通信的效率比單獨(dú)進(jìn)程之間通信的效率更高。系統(tǒng)中線程的并發(fā)程度比進(jìn)程更高。屬于不同進(jìn)程中的多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行，由于線程之間不存在資源共享，這些線程之間在線程切換上，在創(chuàng)建新線程上，在相互通信上，在資源分配上，和獨(dú)立進(jìn)程之間一樣，沒(méi)有多大的優(yōu)勢(shì)。2.5.3線程庫(kù)

在支持線程的操作系統(tǒng)中，通過(guò)線程庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)線程的控制。線程庫(kù)提供了一系列的操作原語(yǔ)和應(yīng)用程序接口來(lái)支持多線程的運(yùn)行，包括線程創(chuàng)建、線程撤銷、線程激活、線程結(jié)束、線程之間的通信、線程之間的同步與互斥等。線程庫(kù)分為運(yùn)行在用戶空間的線程庫(kù)、運(yùn)行在內(nèi)核空間的線程庫(kù)和Java線程庫(kù)。2.5.3線程庫(kù)（續(xù)）1．運(yùn)行在用戶空間的線程庫(kù)運(yùn)行在用戶空間中的線程庫(kù)，為應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行提供支撐環(huán)境。由于完全運(yùn)行在用戶空間，這些線程庫(kù)由一般的單線程管理，與操作系統(tǒng)內(nèi)核隔離。運(yùn)行在用戶空間的線程庫(kù)具有如下優(yōu)點(diǎn):在內(nèi)核之外，不使用內(nèi)核資源，節(jié)省了內(nèi)核資源。在內(nèi)核之外，總是運(yùn)行在用戶空間，運(yùn)行時(shí)不需要用戶態(tài)與核心態(tài)之間的切換，運(yùn)行開(kāi)銷小，效率。運(yùn)行時(shí)與操作系統(tǒng)內(nèi)核沒(méi)有關(guān)系，可以按照應(yīng)用程序的需要選擇線程調(diào)度算法。所選擇的線程調(diào)度算法與操作系統(tǒng)的調(diào)度算法無(wú)關(guān)，能夠運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上。運(yùn)行在用戶空間的線程庫(kù)存在的缺點(diǎn)如下：當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，不僅該線程本身被阻塞，而且該線程所在進(jìn)程的所有線程都被阻塞，降低了系統(tǒng)的效率；在多處理器系統(tǒng)環(huán)境下，如果每個(gè)線程分別被指定在一個(gè)特定的處理器上并發(fā)運(yùn)行，一個(gè)線程阻塞會(huì)使得所有線程都阻塞，則多個(gè)處理器都空閑，處理器的效率降低。2.5.3線程庫(kù)（續(xù)）2．運(yùn)行在內(nèi)核空間的線程庫(kù)運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間中的線程庫(kù)，由內(nèi)核管理。在內(nèi)核中既要保存進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，又要建立、保存和維護(hù)線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及每個(gè)線程的入口。因此，對(duì)內(nèi)核線程庫(kù)，以應(yīng)用程序編程接口方式提供給多線程應(yīng)用程序編程者。內(nèi)核線程庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)如下：能夠調(diào)度同一進(jìn)程的多個(gè)線程在不同處理器中并發(fā)運(yùn)行，在多處理器環(huán)境下，充分發(fā)揮了多個(gè)處理器并行工作的能力；如果某一線程阻塞，內(nèi)核不但能夠調(diào)度同一進(jìn)程的其它線程占有處理器，而且能夠調(diào)度其他進(jìn)程中的線程占用處理器，提高了處理器的效率。內(nèi)核線程庫(kù)的缺點(diǎn)為：對(duì)同一進(jìn)程，如果線程的控制權(quán)從一個(gè)線程傳遞到另一個(gè)線程，線程需要從用戶態(tài)到核心態(tài)，再?gòu)暮诵膽B(tài)到用戶態(tài)進(jìn)行模式切換，系統(tǒng)開(kāi)銷較大。2.5.3線程庫(kù)（續(xù)）

3．Java線程庫(kù)Java線程庫(kù)是一種用于高級(jí)語(yǔ)言的線程庫(kù)，該線程庫(kù)提供了線程的創(chuàng)建和管理。所有的Java程序至少可以由一個(gè)單線程構(gòu)成。Java線程庫(kù)提供給程序開(kāi)發(fā)者在一個(gè)程序中創(chuàng)建和操作更多線程的機(jī)會(huì)。Java線程庫(kù)中的線程控制有創(chuàng)建線程、阻塞線程、喚醒線程、停止線程等API函數(shù)調(diào)用。通過(guò)各種線程控制函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)線程各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)線程的實(shí)現(xiàn)有三種方式：在操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核級(jí)線程（KernelLevelThread，KLT），如Windows2000/XP，OS/2等；在用戶空間實(shí)現(xiàn)的用戶級(jí)線程（UserLevelThread，ULT），如Java的線程庫(kù)等；同時(shí)支持兩種線程的混合式線程實(shí)現(xiàn)，如Solaris系統(tǒng)。圖2.15線程實(shí)現(xiàn)方式線程庫(kù)用戶級(jí)線程用戶空間內(nèi)核空間P進(jìn)程內(nèi)核級(jí)線程用戶空間內(nèi)核空間P進(jìn)程混合式線程內(nèi)核空間P線程庫(kù)P進(jìn)程用戶空間線程實(shí)現(xiàn)方式如圖2.15所示。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)1．內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)在完全內(nèi)核級(jí)線程環(huán)境中，線程管理的全部工作由操作系統(tǒng)內(nèi)核在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)。內(nèi)核為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)接口API，如Windows操作系統(tǒng)，DigitalUNIX操作系統(tǒng)，Solaris操作系統(tǒng)和OS/2操作系統(tǒng)都為應(yīng)用程序使用內(nèi)核級(jí)線程提供了應(yīng)用程序接口API，除了API函數(shù)調(diào)用外，應(yīng)用程序區(qū)不需要有任何線程管理的其他代碼。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)線程的創(chuàng)建和控制管理。當(dāng)應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)，內(nèi)核根據(jù)應(yīng)用程序中的函數(shù)調(diào)用完成相應(yīng)的線程創(chuàng)建和控制管理。內(nèi)核為整個(gè)進(jìn)程及進(jìn)程中的所有線程維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)信息。內(nèi)核建立和維護(hù)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊（PCB），線程控制塊（TCB），內(nèi)核的調(diào)度是在線程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）在多處理器上，內(nèi)核能夠同時(shí)調(diào)度同一進(jìn)程的多個(gè)線程并行執(zhí)行；（2）如果進(jìn)程中的一個(gè)線程阻塞，內(nèi)核能夠調(diào)度同一進(jìn)程的其它線程占有處理器；（3）內(nèi)核級(jí)線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和堆棧均較小，內(nèi)核級(jí)線程的切換快，提高了處理器的效率；（4）內(nèi)核級(jí)線程自身可以用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的并行性和執(zhí)行速度。內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)的主要缺點(diǎn)：應(yīng)用程序的線程運(yùn)行在用戶空間，而線程調(diào)度和管理在內(nèi)核空間，即使是同一進(jìn)程運(yùn)行，當(dāng)對(duì)線程的控制需要從一個(gè)線程傳送到另一個(gè)線程時(shí)，也要經(jīng)過(guò)用戶態(tài)到核心態(tài)，再?gòu)膬?nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的模式切換，系統(tǒng)開(kāi)銷較大。2．用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)在完全用戶級(jí)線程環(huán)境中，線程管理的全部工作由應(yīng)用程序在用戶空間實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核不知道線程的存在。用戶級(jí)線程由用戶空間運(yùn)行的用戶級(jí)線程庫(kù)實(shí)現(xiàn)，任何應(yīng)用程序通過(guò)線程庫(kù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。用戶級(jí)線程庫(kù)是線程運(yùn)行的支撐環(huán)境。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序提交給操作系統(tǒng)后，操作系統(tǒng)首先為該應(yīng)用程序建立一個(gè)內(nèi)核管理進(jìn)程，該進(jìn)程在用戶級(jí)線程庫(kù)環(huán)境下開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，用戶級(jí)線程庫(kù)為進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)線程。當(dāng)進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行這個(gè)唯一線程。該線程通過(guò)調(diào)用用戶級(jí)線程庫(kù)創(chuàng)建新線程，新線程創(chuàng)建成功并處于就緒狀態(tài)。同一進(jìn)程的線程之間切換在用戶空間實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核并不知道用戶空間線程的活動(dòng)。內(nèi)核只是以進(jìn)程為單位，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）線程切換不需要內(nèi)核特權(quán)方式。因?yàn)?，所有線程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均在單個(gè)進(jìn)程的用戶空間中，管理線程切換的線程庫(kù)也運(yùn)行在用戶空間。進(jìn)程對(duì)線程的管理不需要切換到內(nèi)核方式，節(jié)省了切換的時(shí)間和內(nèi)核資源。（2）用戶級(jí)線程根據(jù)應(yīng)用程序的需要選擇進(jìn)程調(diào)度算法，而線程庫(kù)的線程調(diào)度算法與進(jìn)程調(diào)度算法無(wú)關(guān)。（3）內(nèi)核在支持用戶級(jí)線程上不需要任何改變，用戶級(jí)線程能夠運(yùn)行在任何操作系統(tǒng)上。用戶級(jí)線程庫(kù)是可以被所有系統(tǒng)共享的應(yīng)用級(jí)實(shí)用程序，許多現(xiàn)代操作系統(tǒng)和程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言都提供了用戶級(jí)線程庫(kù)，如Windows2000/XP操作系統(tǒng)。雖然傳統(tǒng)的UNIX操作系統(tǒng)不支持多線程，但是，現(xiàn)在已有多個(gè)UNIX操作系統(tǒng)支持用戶線程庫(kù)，如Solaris操作系統(tǒng)。另外，支持用戶級(jí)線程庫(kù)的操作系統(tǒng)還有Mach的C線程。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）用戶級(jí)線程庫(kù)的主要缺點(diǎn)：如果一個(gè)線程被阻塞，則該線程所在進(jìn)程的所有線程都將被阻塞，不能選擇其他進(jìn)程的線程運(yùn)行，使得處理器處于空閑，浪費(fèi)了處理器資源；系統(tǒng)在進(jìn)程調(diào)度時(shí)分配給進(jìn)程的處理器時(shí)間需要由所有的線程分享，如果系統(tǒng)有多個(gè)處理器，也不能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)進(jìn)程中的線程并行執(zhí)行。2.5.4線程的實(shí)現(xiàn)（續(xù)）3．混合式線程的實(shí)現(xiàn)在有些操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程兩種方式的組合，即提供了混合式線程的實(shí)現(xiàn)，如Solaris操作系統(tǒng)。在混合式線程實(shí)現(xiàn)中，不但內(nèi)核支持內(nèi)核級(jí)線程的建立、調(diào)度和管理，而且允許用戶應(yīng)用程序建立、調(diào)度和管理用戶級(jí)線程。在混合式線程實(shí)現(xiàn)中，同一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程可以同時(shí)在不同處理器上并行執(zhí)行。如果一個(gè)線程阻塞，同屬于一個(gè)進(jìn)程的其他線程仍然可以處于就緒狀態(tài)，等待被調(diào)度。一個(gè)應(yīng)用程序的多個(gè)用戶級(jí)線程可以被映射成多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，為了達(dá)到較好效果，程序員可以根據(jù)應(yīng)用程序需要和計(jì)算機(jī)的配置情況調(diào)節(jié)內(nèi)核級(jí)線程數(shù)目。因此，如果設(shè)計(jì)恰當(dāng)，混合式線程既可以具備內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，又可以具備用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。2.5.5線程模型

用戶級(jí)線程與內(nèi)核級(jí)線程之間的關(guān)系可以有三種模型表示：1．一對(duì)一模型一對(duì)一模型將一個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)核心級(jí)線程，如圖2.16所示。每創(chuàng)建一個(gè)用戶級(jí)線程，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程與之對(duì)應(yīng)。如果一個(gè)線程阻塞，系統(tǒng)允許調(diào)度另一個(gè)線程運(yùn)行。多處理器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程并行執(zhí)行，系統(tǒng)效率較高。缺點(diǎn)是每創(chuàng)建一個(gè)用戶級(jí)線程，則需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，系統(tǒng)的線程數(shù)目較多，開(kāi)銷較大，在實(shí)現(xiàn)中應(yīng)該限制系統(tǒng)的線程數(shù)。目前，Windows2000/XP、OS/2都實(shí)現(xiàn)了這類模型。2.5.5線程模型

2．多對(duì)一模型

多對(duì)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，如圖2.17所示，多個(gè)用戶級(jí)線程屬于一個(gè)進(jìn)程，運(yùn)行在進(jìn)程的用戶空間，對(duì)線程的管理和調(diào)度也在用戶空間完成，只有當(dāng)用戶線程需要訪問(wèn)內(nèi)核時(shí)，才將其映射到一個(gè)內(nèi)核線程上，但每次只允許一個(gè)線程映射。該模型的優(yōu)點(diǎn)是線程管理等都在用戶空間完成，節(jié)約系統(tǒng)資源。缺點(diǎn)是如果一個(gè)線程阻塞，屬于同一個(gè)進(jìn)程的所有線程都阻塞，在多處理器系統(tǒng)中，一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程無(wú)法并行執(zhí)行，系統(tǒng)效率低。3．多對(duì)多模型

多對(duì)多模型將多個(gè)用戶級(jí)線程映射到多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，如圖2.18所示。為了節(jié)約系統(tǒng)資源，與用戶級(jí)線程對(duì)應(yīng)的內(nèi)核級(jí)線程數(shù)不會(huì)超過(guò)用戶級(jí)線程數(shù)。內(nèi)核級(jí)線程數(shù)可以通過(guò)特殊應(yīng)用或特殊機(jī)器指定。一個(gè)應(yīng)用程序在多處理器系統(tǒng)中分配內(nèi)核級(jí)線程數(shù)可以多于單處理器系統(tǒng)。2.5.5線程模型

2.5.5線程模型

圖2.16一對(duì)一模型用戶級(jí)線程內(nèi)核級(jí)線程用戶級(jí)線程圖2.17多對(duì)一模型內(nèi)核級(jí)線程用戶級(jí)線程圖2.18多對(duì)多模型對(duì)多對(duì)一模型來(lái)講，雖然允許用戶創(chuàng)建盡可能多的線程，但是，由于內(nèi)核一次只允許調(diào)度一個(gè)線程，所以，多對(duì)一模型下線程不能實(shí)現(xiàn)真正并發(fā)。對(duì)一對(duì)一模型來(lái)講，雖然允許并發(fā)的程度很大，但是，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者卻需要十分小心，這是因?yàn)橐粋€(gè)用戶級(jí)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，而系統(tǒng)不允許創(chuàng)建太多的線程。對(duì)多對(duì)多模型來(lái)講，吸取了多對(duì)一和一對(duì)一模型的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的缺點(diǎn)，既可以讓?xiě)?yīng)用程序開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建較多的用戶級(jí)線程，又能夠使與用戶級(jí)線程對(duì)應(yīng)的內(nèi)核級(jí)線程有很高的并發(fā)性；當(dāng)一個(gè)線程阻塞時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核能夠調(diào)度另一個(gè)線程運(yùn)行。目前，Solaris操作系統(tǒng)、DigitalUNIX操作系統(tǒng)和IRIX操作系統(tǒng)都支持多對(duì)多模型。2.5.5線程模型

2.6Solaris操作系統(tǒng)線程

2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程Solaris操作系統(tǒng)是SUN公司開(kāi)發(fā)的UNIX操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)與普通UNIX系統(tǒng)最大的不同是除了支持進(jìn)程外，還支持線程。在Solaris系統(tǒng)中，除傳統(tǒng)進(jìn)程外，還存在輕量級(jí)進(jìn)程（LightWeightProcess，LWP），一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程表示一個(gè)或多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程。輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核級(jí)線程對(duì)應(yīng)，由內(nèi)核獨(dú)立調(diào)度，可以在多個(gè)處理器上并行執(zhí)行。Solaris系統(tǒng)支持的線程實(shí)現(xiàn)為用戶級(jí)和內(nèi)核級(jí)兩種方式。2.6Solaris操作系統(tǒng)線程

2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程用戶級(jí)為用戶級(jí)線程，內(nèi)核級(jí)為輕量進(jìn)程和內(nèi)核級(jí)線程。用戶級(jí)線程是一個(gè)純用戶級(jí)的概念，占用用戶地址空間，用戶集線程的運(yùn)行由輕量進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核向用戶程序提供輕量進(jìn)程，不提供內(nèi)核級(jí)線程。用戶程序不知道內(nèi)核級(jí)線程，只知道輕量進(jìn)程和用戶級(jí)線程。每個(gè)進(jìn)程可以創(chuàng)建許多用戶級(jí)線程而不占用內(nèi)核資源。一個(gè)進(jìn)程中可以設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)輕量進(jìn)程，在一個(gè)輕量進(jìn)程上又可設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)用戶級(jí)線程。輕量進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在于所屬的進(jìn)程地址空間中。一個(gè)輕量進(jìn)程與一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程綁定，輕量進(jìn)程與內(nèi)核級(jí)線程是一一對(duì)應(yīng)的，內(nèi)核級(jí)線程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在于內(nèi)核地址空間中。2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程（續(xù)）

進(jìn)程、輕量進(jìn)程、用戶級(jí)線程、內(nèi)核級(jí)線程之間的關(guān)系如圖2.19所示。圖2.19Solaris系統(tǒng)實(shí)體2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程（續(xù)）輕量進(jìn)程處于用戶空間與內(nèi)核空間之間，每個(gè)輕量進(jìn)程都與一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程綁定，所有的用戶級(jí)線程通過(guò)輕量進(jìn)程與內(nèi)核級(jí)線程連接。進(jìn)程1表示的是多個(gè)用戶級(jí)線程與多個(gè)輕量進(jìn)程的對(duì)應(yīng)；一個(gè)用戶級(jí)線程與一個(gè)輕量進(jìn)程對(duì)應(yīng)，該輕量進(jìn)程綁定在一個(gè)處理器上。進(jìn)程2表示一個(gè)沒(méi)有并發(fā)線程的傳統(tǒng)單線程進(jìn)程。進(jìn)程3表示線程與輕量進(jìn)程一對(duì)一捆綁，內(nèi)核進(jìn)程并行機(jī)制可見(jiàn)，一個(gè)用戶級(jí)線程阻塞，同一進(jìn)程的其余用戶級(jí)線程可以運(yùn)行。進(jìn)程4表示多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)輕量進(jìn)程上。進(jìn)程5表示多個(gè)用戶級(jí)線程映射到多個(gè)輕量進(jìn)程上。2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程（續(xù)）每個(gè)輕量進(jìn)程需要連接到內(nèi)核級(jí)線程上，才能做到每個(gè)用戶級(jí)線程通過(guò)輕量進(jìn)程與內(nèi)核級(jí)線程連接，實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)線程與內(nèi)核之間的通信。多個(gè)用戶級(jí)線程可以共用一個(gè)輕量進(jìn)程，但只有連接到當(dāng)前輕量進(jìn)程的用戶級(jí)線程才能與內(nèi)核通信，其余的用戶級(jí)線程將被阻塞，等待連接輕量進(jìn)程。一個(gè)輕量進(jìn)程在不同用戶級(jí)線程之間切換時(shí)，只是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的切換，時(shí)間開(kāi)銷遠(yuǎn)小于內(nèi)核級(jí)線程之間的切換時(shí)間開(kāi)銷。

2.6.1Solaris系統(tǒng)中的進(jìn)程與線程（續(xù)）輕量進(jìn)程主要用于Solaris操作系統(tǒng)對(duì)屏幕窗口的切換上。對(duì)一個(gè)以窗口形式提供用戶使用的操作系統(tǒng)而言，屏幕上的窗口切換通常很頻繁。一般情況下，用戶雖然會(huì)同時(shí)打開(kāi)許多窗口，但同一時(shí)刻真正活躍的窗口不是很多。Solaris操作系統(tǒng)用一組用戶級(jí)線程來(lái)表達(dá)窗口系統(tǒng)，用一個(gè)或少量幾個(gè)輕量進(jìn)程來(lái)支持這組用戶級(jí)線程，所以，Solaris系統(tǒng)窗口之間切換時(shí)系統(tǒng)付出的開(kāi)銷很小，切換的速度也很快。如果一個(gè)計(jì)算需要很快地并行應(yīng)用，可以用一個(gè)輕量進(jìn)程連接一個(gè)用戶級(jí)線程，減少用戶線程的切換，加快對(duì)應(yīng)用的處理。Solaris系統(tǒng)可以做到靈活的分配處理器和將一個(gè)應(yīng)用綁定到特殊的處理器，從而滿足特殊需要。2.6.2Solaris系統(tǒng)中的線程狀態(tài)一般的線程狀態(tài)有創(chuàng)建、就緒、阻塞、運(yùn)行和結(jié)束。但是，在Solaris系統(tǒng)中，由于引入了輕量進(jìn)程，線程狀態(tài)與一般線程狀態(tài)有一定的區(qū)別。用戶級(jí)線程的執(zhí)行由線程庫(kù)管理。如果用戶級(jí)線程沒(méi)有綁定到一個(gè)指定的輕量進(jìn)程上，則多個(gè)用戶級(jí)線程可以共享輕量進(jìn)程，用戶級(jí)線程可處于的狀態(tài)為：可運(yùn)行、活躍、睡眠和停止。輕量進(jìn)程可處于的狀態(tài)為：可運(yùn)行態(tài)、運(yùn)行態(tài)、阻塞態(tài)、停止態(tài)。用戶級(jí)線程與輕量進(jìn)程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換分別如圖2.20和圖2.21所示。2.6.2Solaris系統(tǒng)中的線程狀態(tài)圖2.20Solaris系統(tǒng)線程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換剝奪喚醒睡眠態(tài)可運(yùn)行態(tài)活躍態(tài)停止態(tài)繼續(xù)掛起停止停止停