程序的描述與控制

程序的描述與控制............................................................................................................. 1

1.      前驅圖和程式執行...................................................................................................... 2

2.      程序的描述.................................................................................................................. 2

3.      程序控制...................................................................................................................... 3

4.      程序同步...................................................................................................................... 5

5.      經典程序同步問題...................................................................................................... 7

6.      程序通訊...................................................................................................................... 7

7.      執行緒的基本概念.......................................................................................................... 9

8.      執行緒的實現................................................................................................................ 10

 

 

1. 前驅圖和程式執行

前驅圖DAG：描述程序執行的順序

順序執行特徵：順序性，封閉性，可再現性

併發執行特徵：間斷性，失去封閉性，不可再現性

1. 程序的描述

程序的定義和特徵

程序是程序實體（PCB）的執行過程，是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位

特徵：動態性，併發性；獨立性；非同步性

程序的基本狀態以及轉換

引入掛起操作程序狀態的轉換

程序管理中的資料結構

資源/程序資訊表：計算機系統中對每個資源和程序設定資料結構表徵其實體

PCB的作用

作為獨立執行基本單位的標誌

能實現間斷性執行方式：保留CPU現場資訊

提供程序管理所需要的資訊

提供程序排程所需要的資訊：程序的狀態資訊

實現與其他程序的同步與通訊

程序控制表中的資訊

程序識別符號（外部和內部）

外部識別符號：方便使用者對程序的訪問

內部識別符號：方便系統對程序的使用

處理機狀態

通用暫存器；指令計數器；程式狀態字PSW；使用者棧指標

程序排程資訊

程序狀態；程序優先順序；其他資訊

程序控制資訊

程式和資料地址；同步和通訊機制；資源列表；連結指標

程序控制塊的組織方式

線性

連結

索引

1. 程序控制

作業系統核心

讓驅動程式，執行頻率高的模組常駐記憶體

功能

支撐功能：中斷處理，時鐘管理和原語操作

資源管理功能：程序，儲存器和裝置管理

程序的建立

程序層次結構以及層次圖——用來描述程序家族關係的有向樹

引起建立程序的事件

使用者登入

作業排程

提供服務

應用請求

建立過程

申請PCB -> 分配資源 ->初始化PCB -> 插入就緒佇列

程序的終止

引起終止的事件

正常結束

異常結束

外界干預

終止過程

讀取PCB狀態 -> 中止該程序以及子程序執行 -> 將程序（以及子程序）所有資源歸還系統 -> 將程序PCB從佇列中移除

程序的阻塞與喚醒

引起阻塞或喚醒的事件

向系統請求共享資源失敗

等待某種操作完成

新資料尚未到達

等待新任務到達

阻塞過程

阻塞原語block：將程序狀態改為阻塞，並將PCB插入阻塞佇列

喚醒過程

喚醒原語wakeup：將PCB從阻塞佇列中移出，插入到就緒佇列

程序的掛起與啟用

掛起

掛起原語suspend：檢查程序狀態，從 活動就緒/阻塞 -> 靜止就緒/阻塞。若處於執行狀態則轉向條都程式重新排程

啟用

啟用原語active：將程序從外存調往記憶體，檢查程序狀態，從 靜止就緒/阻塞 -> 活動就緒/阻塞

1. 程序同步

基本概念

兩種制約關係

間接制約關係：對於系統中臨界資源由系統實施統一分配

直接相互制約關係：源於程序之間相互合作而共享資源

臨界資源

例如印表機，磁帶機等

臨界區

程序中訪問臨界資源的部分程式碼。同理有進入區，退出區

同步機制應該遵循的規則

空閒讓進

忙則等待

有限等待

讓權等待

硬體同步機制

關中斷

Test-and-Set 指令實現互斥

Swap指令實現程序互斥

訊號量機制

整型訊號量

定義為一個用於表示資源數目的整型量S，僅通過P，V進行操作

記錄型訊號量

新增一個程序連結串列指標，用於連結所有等待程序

AND型訊號量

在wait操作增加AND條件

訊號量集

訊號量的應用

實現程序互斥

實現前驅關係

管程機制

管程：程序對共享資源的申請必須通過的過程

組成

特性

與程序的差別

條件變數

1. 經典程序同步問題

生產者-消費者問題

哲學家進餐問題

讀者-寫者問題

1. 程序通訊

通訊型別

共享儲存器系統

共享資料結構：使用與傳遞相對少量的資料，效率低屬於低階通訊

共享儲存區：對共享區的讀寫由程序負責，屬於高階通訊

管道通訊系統

管道：連線讀，寫程序以實現通訊的共享檔案

管道通訊：寫程序向共享檔案輸入以字元流形式的大量資料，並有讀程序接收

管道機制需提供3方面協調能力：互斥，同步和麵向連線

訊息傳遞系統

直接通訊：利用os提供的傳送原語

間接通訊：通過共享中間實體（信箱）

客戶機-伺服器系統

套接字

遠端過程呼叫

遠端方法呼叫

訊息傳遞通訊的實現方式

直接訊息傳遞系統

信箱通訊

直接訊息傳遞系統例項

1. 執行緒的基本概念

執行緒引入

程序兩個基本屬性

是可擁有資源的獨立單位

可獨立排程和分派的基本單位

程式併發執行的時空開銷

建立程序，撤銷程序和程序切換

執行緒：作為排程和分派的基本單位

與程序的比較

排程的基本單位：引入執行緒OS中，執行緒是排程和分派基本單位，且能獨立執行

併發性：同一程序中多個執行緒能夠併發

擁有資源：執行緒本身只有維持獨立執行的資源，但能共享程序擁有的資源

獨立性：獨立性比程序低

系統開銷：執行緒系統開銷較低

支援多處理機系統

執行緒的狀態與控制塊

執行緒3個基本狀態

執行，就緒和阻塞狀態

執行緒控制塊TCB

多執行緒OS中程序屬性

程序是一個可有資源的基本單位

多個執行緒可併發執行

程序已經不是可執行的實體

1. 執行緒的實現

執行緒的實現方式

核心支援執行緒KST

使用者級執行緒ULT

使用者級執行緒與核心無關

組合方式

多對一，一對一和多對多模型

執行緒的實現

核心支援執行緒的實現

使用者級執行緒的實現

執行時系統：管控執行緒的函式的集合

核心控制執行緒LWP：通過系統呼叫獲得核心提供的服務，使用者級執行緒只需連線LWP

執行緒的建立與終止

“初始化執行緒”目的用於建立新執行緒，利用執行緒建立函式

完成任務或者出現異常時，呼叫相應函式（或系統呼叫）終止操作