《進(jìn)程線程與作業(yè)》PPT課件.ppt

1、第二章 進(jìn)程、線程與作業(yè),2.1 多道程序設(shè)計 Multi-programming 2.2 進(jìn)程的引入 Process 2.3 線程與輕進(jìn)程 Thread and light-weighted process 2.4 作業(yè) Job,Active objects,2.1 多道程序設(shè)計,2.1.1 單道程序設(shè)計的缺點 2.1.2 多道程序設(shè)計的提出 2.1.3 多道程序設(shè)計的問題,Multi-programming,多道程序設(shè)計目標(biāo),提高系統(tǒng)效率(吞吐量),2.1.1 單道程序設(shè)計的缺點,處理機利用率低 設(shè)備利用率低 內(nèi)存利用率低,運行程序A,CPU,設(shè)備1,運行程序A,t,t1,t2,t5,t6

2、,設(shè)備2,2.1.2 多道程序設(shè)計的提出,CPU,設(shè)備1,程序A,t,t1,t2,t5,t6,設(shè)備2,程序B,提高處理機、設(shè)備、內(nèi)存等各種資源的利用率，從而提高系統(tǒng)效率。,程序A,t3,t4,2.1.2 多道程序設(shè)計的提出(Cont.),增加同時運行程序的道數(shù)可以提高資源利用率，從而提高系統(tǒng)效率，但道數(shù)應(yīng)與系統(tǒng)資源數(shù)量相當(dāng)。 道數(shù)過少，系統(tǒng)資源利用率低。 道數(shù)過多，系統(tǒng)開銷(system overhead)增大，程序響應(yīng)速度下降。,2.1.3 多道程序設(shè)計的問題,處理機資源的管理 程序個數(shù)處理機個數(shù)(如何分配?) 存儲資源的管理 地址空間的相對獨立性、共享性 內(nèi)存、外存(swap space)

3、的分配與去配 設(shè)備資源管理 分配策略 IO控制,2.2 進(jìn)程的引入,2.2.1 進(jìn)程的概念 2.2.2 進(jìn)程狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換 2.2.3 進(jìn)程控制塊 2.2.4 進(jìn)程的組成與上下文 2.2.5 進(jìn)程的隊列,2.2.6 進(jìn)程的類型與特征 2.2.7 進(jìn)程間相互聯(lián)系與相互作用 2.2.8 進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷 2.2.9 進(jìn)程與程序間的聯(lián)系與差別,多道系統(tǒng)中的程序： 推進(jìn)，暫停，推進(jìn)，暫停，. 暫停：保存現(xiàn)場(PSW+PC，寄存器） 推進(jìn)：恢復(fù)現(xiàn)場(寄存器，PSW+PC) 暫停原因：(1) 自身原因：等待資源，啟動IO (2) 剝奪CPU給其它程序運行機會,2.2 進(jìn)程的引入(Cont.),2.2.1

4、進(jìn)程的概念,定義： 可參與并發(fā)執(zhí)行的程序稱為進(jìn)程。 進(jìn)程是具有一定獨立功能的程序關(guān)于一個數(shù)據(jù)集合的一次運行活動。 定義強調(diào)兩個方面： 動態(tài)：執(zhí)行中的程序; 并發(fā)：可與其他進(jìn)程同時執(zhí)行。,并發(fā) vs. 并行,并發(fā)：concurrent 宏觀同時，“交替執(zhí)行”，不要求多個CPU 并行：parallel 微觀同時，要求多個CPU “并行算法”,2.2.2 進(jìn)程狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換, 進(jìn)程狀態(tài)(基本狀態(tài)) 運行態(tài)(RUN): 占有CPU正在向前推進(jìn) 就緒態(tài)(READY): 可以運行，但未得到CPU 等待態(tài)(WAIT): 等待某一事件發(fā)生 狀態(tài)轉(zhuǎn)換 就緒運行：獲得處理機 運行就緒

5、：剝奪處理機 運行等待：申請資源未得到，啟動IO 等待就緒：得到資源，IO中斷,就緒,等待,運行,獲得處理機,剝奪處理機,等待事件,事件發(fā)生, 進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,Keep in Mind,進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)完成，對用戶是透明的； 進(jìn)程在其生存期內(nèi)經(jīng)過多次狀態(tài)轉(zhuǎn)換，體現(xiàn)了進(jìn)程的動態(tài)性和并發(fā)性。,2.2.3 進(jìn)程控制塊(PCB),標(biāo)志進(jìn)程存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中保存系統(tǒng)管理進(jìn)程所需的全部信息 PCB內(nèi)容：(不同系統(tǒng)不盡相同) 進(jìn)程標(biāo)識(pid) 家族聯(lián)系 進(jìn)程狀態(tài) 地址信息 現(xiàn)場信息 打開文件 調(diào)度參數(shù) 消息指針 所屬用戶(uid) 隊列指針,Process Control Block

6、,2.2.4 進(jìn)程的組成與上下文,進(jìn)程的組成 進(jìn)程控制塊(process control block) 建立進(jìn)程建立PCB 撤銷PCB撤銷進(jìn)程 程序 代碼(code) 數(shù)據(jù)(data) 堆棧(stack+heap) 棧：保存返回點、參數(shù)、返回值、局部變量 堆：動態(tài)變量,2.2.4 進(jìn)程的組成與上下文,進(jìn)程的表記,PCB,程序,PCB,代碼,數(shù)據(jù) + 堆棧,表記1,表記2,系統(tǒng)空間,用戶空間,定義：進(jìn)程的程序(代碼和數(shù)據(jù))稱為進(jìn)程影像(Process Image)。,2.2.4 進(jìn)程的組成與上下文,進(jìn)程上下文（process context) 進(jìn)程的物理實體與支持進(jìn)程運行的物理環(huán)境統(tǒng)稱為進(jìn)程上下

7、文 PCB+程序 系統(tǒng)環(huán)境：地址空間，系統(tǒng)棧，打開文件表， 上下文切換（context switch) 由一個進(jìn)程的上下文轉(zhuǎn)到另外一個進(jìn)程的上下文 系統(tǒng)開銷（system overhead) 運行操作系統(tǒng)程序完成系統(tǒng)管理工作所花費的時間和空間,2.2.5 進(jìn)程的隊列,1. 就緒隊列：系統(tǒng)一個或若干個（根據(jù)調(diào)度算法確定） 2. 等待隊列：每個等待事件一個 3. 運行指示字：每個處理機一個,PCB構(gòu)成的隊列：（不一定FIFO，單向或雙向）,進(jìn)程隊列模型,等待隊列1,等待隊列2,等待隊列n,CPU,創(chuàng)建,完成,時間片用完,等待事件1,等待事件2,等待事件n,事件1發(fā)生,事件2發(fā)生,事件n發(fā)生,2.2

8、.6 進(jìn)程的類型與特征,進(jìn)程類型 系統(tǒng)進(jìn)程 運行操作系統(tǒng)程序，完成系統(tǒng)管理(服務(wù))功能. 例如：UNIX #0 - sched, #1 - init 用戶進(jìn)程 運行用戶(應(yīng)用)程序，為用戶服務(wù)。 例如：UNIX vi, cc,2.2.6 進(jìn)程的類型與特征(Cont.),進(jìn)程的特征 并發(fā)性：可以與其它進(jìn)程一道向前推進(jìn)； 動態(tài)性：動態(tài)產(chǎn)生、消亡，生存期內(nèi)狀態(tài)動態(tài)變化； 獨立性：一個進(jìn)程是可以調(diào)度的基本單位； 交往性：同時運行的進(jìn)程可能發(fā)生相互作用； 異步性：進(jìn)程以各自獨立，不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)； 結(jié)構(gòu)性：每個進(jìn)程有一個PCB。,2.2.7 進(jìn)程間相互聯(lián)系與相互作用,相互聯(lián)系 相關(guān)進(jìn)程 同一家族的

9、進(jìn)程 可以共享文件，需要相互通訊，協(xié)調(diào)推進(jìn)速度 父進(jìn)程可以監(jiān)視子進(jìn)程，子進(jìn)程完成父進(jìn)程交給的任務(wù)。 無關(guān)進(jìn)程 沒有邏輯關(guān)系的進(jìn)程。,2.2.7 進(jìn)程間相互聯(lián)系與相互作用,相互作用,1. 直接相互作用：發(fā)生在相關(guān)進(jìn)程之間,2. 間接相互作用：發(fā)生在任何進(jìn)程之間,R,P2,P1,sync,send,receive,P1:,P2:,hold,wait,2.2.8 進(jìn)程的創(chuàng)建與撤銷,進(jìn)程的創(chuàng)建 建立PCB，分配內(nèi)存，加載程序，入就緒鏈 UNIX：pid=fork()，exec(prog,args) 進(jìn)程的撤銷 去配資源，撤銷PCB，通知父進(jìn)程 UNIX：exit() vs. kill 除初始進(jìn)程外，其

10、它進(jìn)程由(父)進(jìn)程創(chuàng)建，并形成進(jìn)程家族。,考慮生滅的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,初創(chuàng),終止,創(chuàng)建,結(jié)束,2.2.9 進(jìn)程與程序的聯(lián)系與差別,進(jìn)程與程序的聯(lián)系 進(jìn)程包括一個程序 進(jìn)程存在的目的就是執(zhí)行這個程序 進(jìn)程與程序的差別 程序靜態(tài)，進(jìn)程動態(tài) 程序可長期保存，進(jìn)程有生存期 一個程序可對應(yīng)多個進(jìn)程，一個進(jìn)程只能執(zhí)行一個程序,2.3 線程與輕進(jìn)程,2.3.1 線程的引入 2.3.2 線程的概念 2.3.3 線程的結(jié)構(gòu) 2.3.4 線程控制塊 2.3.5 線程的實現(xiàn) 2.3.6 線程的應(yīng)用 2.3.7 Java線程,Thread Light-weighted process,2.3.1 線程的引入,進(jìn)程切換

11、上下文涉及內(nèi)容多，開銷大，“笨重” PCB+程序 系統(tǒng)環(huán)境：地址空間，系統(tǒng)棧，打開文件表， 相關(guān)進(jìn)程之間耦合關(guān)系差 解決方案 Multi-threading 同一進(jìn)程中包含多個線程 上下文只涉及寄存器和用戶棧，切換速度快 相關(guān)線程之間通訊方便、快捷,2.3.2 線程的概念,進(jìn)程中一個相對獨立的執(zhí)行流。 進(jìn)程 vs.線程 進(jìn)程是資源分配單位 線程是執(zhí)行單位 多線程優(yōu)點 切換速度快（地址空間不變）(light weighted) 系統(tǒng)開銷小 通訊容易（共享數(shù)據(jù)空間）,2.3.3 線程結(jié)構(gòu),多進(jìn)程結(jié)構(gòu)（用戶視圖）,內(nèi)存,靜態(tài)數(shù)據(jù),程序代碼,棧,寄存器,進(jìn)程,動 態(tài) 堆,內(nèi)存,2.3.3 線程結(jié)構(gòu),靜

12、態(tài)數(shù)據(jù),程序代碼,寄存器,寄存器,線程1,線程2,進(jìn)程,動 態(tài) 堆,內(nèi)存,多線程結(jié)構(gòu)（用戶視圖）,棧,棧,2.3.4 線程控制塊,TCB（Thread control block) 標(biāo)志線程存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含對線程管理需要的全部信息 內(nèi)容 線程標(biāo)識 線程狀態(tài) 調(diào)度參數(shù) 現(xiàn)場(通用寄存器,PC,SP) 鏈接指針 存放位置 用戶級線程：目態(tài)空間（運行時系統(tǒng)） 核心級線程：系統(tǒng)空間,2.3.5 線程的實現(xiàn),2.3.1 用戶級別線程 User-level thread 2.3.2 核心級別線程 Kernel-level thread 2.3.3 混合線程 Hybrid approach,2.3.

13、5.1 用戶級別線程,實現(xiàn)方法： 基于library函數(shù)，系統(tǒng)不可見 線程創(chuàng)建、撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換在目態(tài)完成 TCB在用戶空間，每個進(jìn)程一個系統(tǒng)棧 優(yōu)點： 不依賴于操作系統(tǒng)，調(diào)度靈活 同一進(jìn)程中多線程切換速度快(不需進(jìn)入操作系統(tǒng)) 缺點： 同一進(jìn)程中多個線程不能真正并行 一個線程進(jìn)入系統(tǒng)受阻，進(jìn)程中其它線程不能執(zhí)行, 用戶級別線程,運行系統(tǒng),TCB,進(jìn)程,線程,核心棧,進(jìn)程表,用戶空間,系統(tǒng)空間, 核心級別線程,實現(xiàn)方法： 基于系統(tǒng)調(diào)用 創(chuàng)建、撤銷、狀態(tài)轉(zhuǎn)換由操作系統(tǒng)完成 優(yōu)點： 同一進(jìn)程內(nèi)多線程可以并行執(zhí)行 一線程進(jìn)入核心等待，其它線程仍可執(zhí)行 缺點： 系統(tǒng)開銷大，同

14、一進(jìn)程內(nèi)多線程切換速度慢 調(diào)度算法不能靈活控制, 核心級別線程,進(jìn)程,線程,核心棧,進(jìn)程表,用戶空間,系統(tǒng)空間,TCB, 混合線程,Solaris例子 User level thread: 由Lib程序支持（創(chuàng)建,調(diào)度） Light weighted process(LWP): 由Lib程序支持 每個task至少一個LWP 用戶級別線程與LWP可以多對多 LWP對操作系統(tǒng)可見 只有與LWP相聯(lián)系的用戶線程向前推進(jìn) Kernel level thread: 由kernel 支持 每個LWP與唯一一個核心線程對應(yīng) 核心線程可與CPU多對多，多對一, 混合線

15、程(Solaris),CPU,task1,task2,task3,kernel,User level thread,Lightweight process,Kernel thread,2.3.6 線程的應(yīng)用,內(nèi)在的多控制流,需要共享數(shù)據(jù) 生產(chǎn)消費問題 多線程優(yōu)于多進(jìn)程 快100倍! 提高處理機與設(shè)備的并行性 多處理機環(huán)境 提高處理機利用率，加快進(jìn)程推進(jìn)速度,2.3.6 線程的應(yīng)用,例子： Word字處理（不同代碼） 交互編輯(T1) 詞法檢查(T2) 定時保存(T3) HTTP server（相同代碼） 對每個http請求，pop up一個線程,2.4 作業(yè)（Job),作業(yè)概念 用戶要求計算機

16、系統(tǒng)為其完成的計算任務(wù)集合。 作業(yè)步（job step) 作業(yè)處理過程中一個相對獨立的步驟 一般一個作業(yè)步可由一個進(jìn)程完成 某些作業(yè)步之間可以并行 作業(yè)分類 批處理作業(yè) 交互式作業(yè),2.4.1 批處理作業(yè),定義：作業(yè)控制塊是標(biāo)志作業(yè)存在的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含系統(tǒng)對作業(yè)進(jìn)行管理所需要的全部信息 作業(yè)控制塊 作業(yè)名稱 作業(yè)狀態(tài) 調(diào)度參數(shù) 資源需求 相關(guān)進(jìn)程 作業(yè)長度 在輸入井與輸出井中的存放位置 記帳信息,2.4.1 批處理作業(yè),作業(yè)控制語言(JCL) 描述批處理作業(yè)控制意圖的語言 作業(yè)說明書(JCL語句的序列） 一般一特殊符號起始 $JOB J1 $FORTN $LINK $EXEC $ENDJO

17、B 作業(yè)控制程序 解釋并處理作業(yè)說明書的程序 作業(yè)控制進(jìn)程 執(zhí)行作業(yè)控制程序的進(jìn)程,作業(yè)控制進(jìn)程,讀入作業(yè)內(nèi)容,釋放輸入井空間,順取作業(yè)控制語句,是結(jié)束語句,執(zhí)行該作業(yè)步 (可能創(chuàng)建子進(jìn)程),申請輸出井空間,輸出作業(yè)結(jié)果,進(jìn)程自我終止,F,T,2.4.2 交互式作業(yè),帳戶管理 /etc/passwd文件 (用戶名,口令,用戶根目錄,同組用戶,余額) 創(chuàng)建與撤銷 創(chuàng)建： 用戶提供（用戶名,口令,資金） 系統(tǒng)操作員建立（根目錄/usr/zhang, 填寫passwd文件） 撤銷： 刪除該用戶目錄及所有文件 在passwd文件中清除對應(yīng)entry,2.4.2 交互式作業(yè),注冊與注銷 注冊： logo

18、n: 用戶名 password: * (使用) 注銷： 顯式注銷： logoff 隱式注銷： （如5分鐘無輸入命令）,命令解釋程序,提示符$,讀入終端命令,分析,Logout,內(nèi)部命令,處理,建立子進(jìn)程,后臺命令,等子進(jìn)程結(jié)束,輸出子進(jìn)程號,記帳,T,F,T,F,F,T,小結(jié)：作業(yè)、進(jìn)程、線程,作業(yè)與進(jìn)程 作業(yè)進(jìn)入內(nèi)存后變?yōu)檫M(jìn)程 一個作業(yè)通常與多個進(jìn)程相對應(yīng) 進(jìn)程與線程 一個進(jìn)程一般包含多個線程，至少包含一個線程 不支持多線程的系統(tǒng)，可視為單線程進(jìn)程,2.5.1 Java線程,Java線程四種基本狀態(tài) New：新建的線程 Runnable：可運行狀態(tài) Blocked：封鎖狀態(tài) Dead：終止?fàn)?/p>

19、態(tài),Java線程,Java線程狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖,Sleep() Suspend() IO,Runnable,Blocked,Dead,New,Start(),Stop(),Resume(),JAVA線程與JVM,Java線程是由Java虛擬機JVM支持的 JVM位于操作系統(tǒng)之上 Java線程與操作系統(tǒng)線程之間的對應(yīng)關(guān)系由JVM確定 對于Windows NT的JVM，Java線程與操作系統(tǒng)線程具有一對一關(guān)系; 對于Solaris的JVM，其對應(yīng)關(guān)系為多對多.,2.5.2 Linux進(jìn)程與線程,進(jìn)程與線程在系統(tǒng)內(nèi)部具有統(tǒng)一的表示 進(jìn)程與線程的差別通過與fork不同的另外一個系統(tǒng)調(diào)用clone體現(xiàn)出來 Clone系統(tǒng)調(diào)用的形式 pid = clone(function,stack_ptr,sharing_flag,arg) Sharing-flag: CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND, CLONE_PID,