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第四讲 多道程序与分时多任务
第一节 进程和进程模型
向勇 陈渝 李国良 任炬
2025年秋季
问题
- 操作系统如何管理程序的执行过程？
- 操作系统关心程序执行中的哪些状态？
类比：
- 学校如何管理同学们的学习过程？
- 学校关心同学在学习过程中的哪些信息？
提纲
1. 多道程序与协作式调度
- 分时多任务与抢占式调度
- 进程的概念
- 进程模型
历史
- 操作系统的被广泛使用是从大型机向小型机（minicomputer）过渡的时期开始的。
- OS/360是大型机（System/360）时代的多道批处理操作系统
- 数字设备公司（DEC）的PDP系列小型计算机
- 小型机和多道程序（multiprogramming）成为很普遍的应用场景。
- 一个工作单位内的一群人可能拥有一台计算机
多道程序（Multiprogramming）
- 在内存中存在多个可执行程序
- 各个可执行程序共享处理器
作业(Job)
- 应用的一次执行过程
- 后来称为“任务(Task)”，现在叫“进程（process）”
历史上出现过的术语：Job、Multiprogramming
- Job和Multiprogramming是IBM用于多道程序设计的概念。
协作式调度（Cooperative scheduling）
- 可执行程序主动放弃处理器使用
- 操作系统不会打断正在执行的程序
- 操作系统选择下一个作业使用处理器
提纲
- 多道程序与协作式调度
2. 分时多任务与抢占式调度
- 进程的概念
- 进程模型
历史
小型机（minicomputer）的普及和广泛使用推动了分时多任务的需求，形成了支持多用户的分时操作系统。
- DEC公司的PDP、VAX小型机逐渐侵蚀大型机市场
- DEC公司的VMS操作系统
- MIT的CTSS操作系统
- AT&T的UNIX操作系统
从用户的视角看分时多任务
分时多任务（Time sharing multitask）：从用户的视角看
- 在内存中存在多个可执行程序
- 各个可执行程序分时共享处理器
- 操作系统按时间片来给各个可执行程序分配CPU使用时间
- 进程(Process) ：应用的一次执行过程
从OS的视角看分时多任务
- 进程(Process) ：一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。也称为任务(Task)。
- 从一个应用程序对应的进程切换到另外一个应用程序对应的进程，称为进程切换。
作业（Job）、任务（Task）和进程（Process）
历史上出现过的术语：Job、Task、Process
- Task、Process是Multics和UNIX等用于分时多任务提出的概念
- 进程是一个应用程序的一次执行过程。在操作系统语境下，任务和进程是同义词。
- 作业（目标）是围绕一个共同目标由一组相互关联的程序执行过程（进程、任务）形成的一个整体
参考：Difference between Job, Task and Process
抢占式调度（Preemptive scheduling）
- 进程被动地放弃处理器使用
- 进程按时间片轮流使用处理器，是一种“暂停-继续”组合的执行过程
- 基于时钟硬件中断机制，操作系统可随时打断正在执行的任务
- 操作系统选择下一个执行程序使用处理器
提纲
- 多道程序与协作式调度
- 分时多任务与抢占式调度
3. 进程的概念
- 进程模型
进程切换
进程的特点
- 动态性
- 开始执行-->暂停-->继续-->结束执行的过程
- 并发性
- 一段时间内多个进程在执行
- 有限度的独立性
- 进程之间不用感知对方的存在
目前还没具备更强大的特点
- 隔离更彻底、任务间协同工作、任务创建任务......
进程与程序的组成
进程与程序的组成
进程(任务)与程序的对应关系
-
进程是操作系统处于执行状态程序的抽象
- 程序 = 文件 (静态的可执行文件)
- 进程 = 程序 + 执行状态
-
同一个程序的多次执行过程对应为不同进程
- 如命令“ls”的多次执行对应多个进程
-
进程执行需要的资源
- 内存：保存代码和数据
- CPU：执行指令
进程与程序的区别
- 进程是动态的，程序是静态的
- 程序是有序代码的集合
- 进程是程序的执行
- 进程是暂时的，程序是永久的
- 进程是一个状态变化的过程
- 程序可长久保存
- 进程与程序的组成不同
- 进程的组成包括程序、数据和进程控制块
进程状态
进程包含了运行程序的所有状态信息
- 进程执行的控制流
- 代码内容与代码的执行位置（代码段）
- 进程访问的数据
- 被进程读写的内存（堆、栈、数据段）
- 被进程读写的寄存器
- 通用寄存器
进程状态
进程包含了运行程序的所有状态信息
- 操作系统管理进程的相关数据（进程的上下文）
- 进程切换所需的通用寄存器
- 进程切换所需的状态寄存器(PC等)
- 其他信息：进程的栈地址等
- 其他资源：......
进程控制块（PCB, Process Control Block）
操作系统管理进程的核心数据结构，也称为任务控制块（TCB, Task Control Block）
- 操作系统管理控制进程运行所用的信息集合
- 操作系统用PCB来描述进程的基本情况以及运行变化的过程
- PCB是进程存在的唯一标志
- 每个进程都在操作系统中有一个对应的PCB
操作系统管理的进程控制块
提纲
- 多道程序与协作式调度
- 分时多任务与抢占式调度
- 进程的概念
4. 进程模型
进程状态：创建和就绪
- 创建 --> 就绪
- 何时创建？
- 如何创建？
进程状态：运行
- 创建-->就绪-->执行
- 内核选择一个就绪的任务
- 如何执行？
进程状态：等待
- 创建-->就绪-->执行-->等待
- 任务进入等待的原因?
- 自身
- 外界
- 任务进入等待的原因?
进程状态变迁：唤醒
- 创建-->就绪-->执行--> 等待 -->唤醒
- 唤醒任务的原因？
- 自身：自然醒？
- 外界：被叫醒？
- 唤醒任务的原因？
进程状态变迁：抢占
- 创建-->就绪-->执行--> 抢占
- 任务被抢占的原因？
进程状态：退出
- 创建--> 就绪 --> 执行 --> ...... -->结束
- 任务退出的原因？
- 自愿？
- 被迫？
- 任务退出的原因？
三状态进程模型
进程状态变迁与系统调用
- 创建--> 就绪 --> 执行 --> ...... -->结束
- 抢占 等待 唤醒
涉及哪些系统调用？
- exit
- sleep
- ......
进程状态变迁与进程切换
- 创建--> 就绪 --> 执行 --> ...... -->结束
- 抢占 等待 唤醒
在任务的生命周期中，何时会进行任务切换？
进程切换
小结
- 进程：程序的执行过程
- 进程调度：协作式调度和抢占式调度
- 进程模型：就绪、运行、等待、创建和退出
- 进程切换：进程上下文的保存和恢复