自考“操作系統(tǒng)原理”復(fù)習(xí)資料（3）

　　本章考核知識點(diǎn)：1.多道程序設(shè)計(jì) 2.進(jìn)程 3.進(jìn)程狀態(tài) 4.進(jìn)程控制塊 5.進(jìn)程隊(duì)列 6.可再入程序 7.中斷及中斷響應(yīng) 8.中斷優(yōu)先級 9.進(jìn)程調(diào)度

　　自學(xué)要求：通過本章學(xué)習(xí)應(yīng)該掌握多道程序設(shè)計(jì)是如何提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)效率的；進(jìn)程與程序有什么區(qū)別；進(jìn)程的基本狀態(tài)以及狀態(tài)變化；進(jìn)程隊(duì)列及進(jìn)程調(diào)度策略；中斷的作用。

　　重點(diǎn)是：多道程序設(shè)計(jì)；進(jìn)程的定義和屬性；進(jìn)程調(diào)度策略。

　　一、 多道程序設(shè)計(jì)（ 領(lǐng)會 ）

　　1、什么是多道程序設(shè)計(jì)。

　　讓多個(gè)計(jì)算問題同時(shí)裝入一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主存儲器并行執(zhí)行，這種設(shè)計(jì)技術(shù)稱“ 多道程序設(shè)計(jì) ”，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱“多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)” 或簡稱“多道系統(tǒng)”。

　　存儲保護(hù) ：在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，主存儲器中同時(shí)存放了多個(gè)作業(yè)的程序。為避免相互干擾，必須提供必要的手段使得在主存儲器中的各道程序只能訪問自己的區(qū)域。這樣，每道程序執(zhí)行時(shí)，都不會破壞其他各道的程序和數(shù)據(jù)。特別是當(dāng)某道程序發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)，也不至于影響其它的程序。

　　程序浮動 ：在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對程序有一些特殊要求，也就是說，程序可以隨機(jī)地從主存的一個(gè)區(qū)域移動到另一個(gè)區(qū)域，程序被移動后仍絲毫不影響它的執(zhí)行，這種技術(shù)稱為“程序浮動”。

　　在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，有三點(diǎn)基本要求：

　　用“存儲保護(hù)”的方法保證各道程序互不侵犯；

　　用“程序浮動”技術(shù)讓程序能靈活地改變存放區(qū)域且能正確執(zhí)行；

　　必須對資源按一定的策略分配和調(diào)度。

　　2、 多道程序設(shè)計(jì) 利用了系統(tǒng)與外圍設(shè)備的并行工作能力，從而提高工作效率。具體表現(xiàn)為：

　　提高了處理器的利用率；

　　充分利用外圍設(shè)備資源：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置多種外圍設(shè)備，采用多道程序設(shè)計(jì)并行工作時(shí)，可以將使用不同設(shè)備的程序搭配在一起同時(shí)裝入主存儲器，使得系統(tǒng)中各外圍設(shè)備經(jīng)常處于忙碌狀態(tài)，系統(tǒng)資源被充分利用；

　　發(fā)揮了處理器與外圍設(shè)備以及外圍設(shè)備之間的并行工作能力；

　　從總體上說，采用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，可以有效地提高系統(tǒng)中資源的利用率，增加單位時(shí)間內(nèi)的算題量，從而提高了吞吐率。

　　3、 多道程序設(shè)計(jì) 對算題量和算題時(shí)間的影響。 采用多道程序設(shè)計(jì)能改變系統(tǒng)資源的使用情況，提高系統(tǒng)效率。但是應(yīng)注意以下兩個(gè)問題：

　　可能延長程序的執(zhí)行時(shí)間；

　　并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率不成正比。從表面上看，增加并行工作道數(shù)就可提高系統(tǒng)效率，但實(shí)際上并行工作道數(shù)與系統(tǒng)效率是不成正比，因?yàn)椴⑿械牡罃?shù)要根據(jù)系統(tǒng)配置的資源和用戶對資源的要求而定：

　?。?）主存儲器的大小限制了可同時(shí)裝入的程序數(shù)量；

　　（2）外圍設(shè)備的數(shù)量也是一個(gè)制約條件；

　?。?）多個(gè)程序同時(shí)要求使用同一資源的情況也會經(jīng)常發(fā)生。

　　總之，多道程序設(shè)計(jì)能提高系統(tǒng)資源的使用效率，增加單位時(shí)間的算題量；但是對每個(gè)計(jì)算問題來說，從算題開始到全部完成所需要的時(shí)間可能延長，另外在確定并行工作道數(shù)時(shí)應(yīng)綜合系統(tǒng)的資源配置和用戶對資源的要求。

　　二、 進(jìn)程（ 領(lǐng)會 ）

　　1、 進(jìn)程 的定義：把一個(gè)程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集上的一次執(zhí)行稱為一個(gè)“進(jìn)程”。

　　2、 進(jìn)程是由 程序 、 數(shù)據(jù)集 和 進(jìn)程控制塊 三部分組成。

　　我們舉一個(gè)例子，比如在有一個(gè)用戶程序notepad.exe（記事本），當(dāng)它存放在磁盤上時(shí)，就是一個(gè)程序，在windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行它時(shí)，就會在內(nèi)存中建立一個(gè)記事本程序的進(jìn)程，而我們在記事本中編輯的當(dāng)前文字就是這個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)集，操作系統(tǒng)會為當(dāng)前的進(jìn)程設(shè)置一個(gè)進(jìn)程控制塊。如果我們再打開一個(gè)記事本程序的窗口，就會建立另一個(gè)進(jìn)程，此時(shí)運(yùn)行的是同一個(gè)程序，但存在兩個(gè)進(jìn)程，第二個(gè)窗口中的編輯內(nèi)容就是第二個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)集。

　　3、 進(jìn)程 與 程序 的區(qū)別及關(guān)系。程序是靜止的，進(jìn)程是動態(tài)的。進(jìn)程包括程序和程序處理的對象（數(shù)據(jù)集），進(jìn)程能得到程序處理的結(jié)果。進(jìn)程和程序并非一一對應(yīng)的，一個(gè)程序運(yùn)行在不同的數(shù)據(jù)集上就構(gòu)成了不同的進(jìn)程。通常把進(jìn)程分為“系統(tǒng)進(jìn)程”和“用戶進(jìn)程”兩大類，把完成操作系統(tǒng)功能的進(jìn)程稱為系統(tǒng)進(jìn)程，而完成用戶功能的進(jìn)程則稱為用戶進(jìn)程。

　　三、 進(jìn)程狀態(tài)（ 領(lǐng)會 ）

　　1、 進(jìn)程的 三種基本狀態(tài) .通常，根據(jù)進(jìn)程執(zhí)行過程中不同時(shí)刻的狀態(tài)，可歸納為三種基本狀態(tài)：

　　。 等待態(tài) ：等待某個(gè)事件的完成；

　　。 就緒態(tài) ：等待系統(tǒng)分配處理器以便運(yùn)行；

　　。 運(yùn)行態(tài) ：占有處理器正在運(yùn)行。

　　2、進(jìn)程的狀態(tài)變化

　　進(jìn)程在執(zhí)行中狀態(tài)會不斷地改變，每個(gè)進(jìn)程在任何時(shí)刻總是處于上述三種基本狀態(tài)的某一種基本狀態(tài)，進(jìn)程狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示：

　　運(yùn)行態(tài)→等待態(tài) 往往是由于等待外設(shè)，等待主存等資源分配或等待人工干預(yù)而引起的。

　　等待態(tài)→就緒態(tài) 則是等待的條件已滿足，只需分配到處理器后就能運(yùn)行。

　　運(yùn)行態(tài)→就緒態(tài) 不是由于自身原因，而是由外界原因使運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程讓出處理器，這時(shí)候就變成就緒態(tài)。例如時(shí)間片用完，或有更高優(yōu)先級的進(jìn)程來搶占處理器等。

　　就緒態(tài)→運(yùn)行態(tài) 系統(tǒng)按某種策略選中就緒隊(duì)列中的一個(gè)進(jìn)程占用處理器，此時(shí)就變成了運(yùn)行態(tài)。

　　進(jìn)程 有 四個(gè)基本屬性 ：

　　。多態(tài)性 從誕生、運(yùn)行，直至消滅。

　　。多個(gè)不同的進(jìn)程可以包括相同的程序

　　。三種基本狀態(tài) 它們之間可進(jìn)行轉(zhuǎn)換

　　。并發(fā)性 并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程輪流占用處理器

　　四、進(jìn)程控制塊（ 領(lǐng)會 ）

　　1、 進(jìn)程控制塊 的基本內(nèi)容。 通常進(jìn)程控制塊包含四類信息：

　　。標(biāo)志信息 含唯一的進(jìn)程名

　　。說明信息 有進(jìn)程狀態(tài)、等待原因、進(jìn)程程序存放位置和進(jìn)程數(shù)據(jù)存放位置

　　。現(xiàn)場信息 包括通用、控制和程序狀態(tài)字寄存器的內(nèi)容

　　。管理信息 存放程序優(yōu)先數(shù)和隊(duì)列指針

　　2、 進(jìn)程控制塊 的作用

　　進(jìn)程控制塊（Process Control Block，簡稱PCB），是操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配的用于標(biāo)志進(jìn)程，記錄各進(jìn)程執(zhí)行情況的。進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的標(biāo)志，它記錄了進(jìn)程從創(chuàng)建到消亡動態(tài)變化的狀況，進(jìn)程隊(duì)列實(shí)際也是進(jìn)程控制塊的鏈接。操作系統(tǒng)利用進(jìn)程控制塊對進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。

　　進(jìn)程控制塊的作用有：

　?。?）記錄進(jìn)程的有關(guān)信息，以便操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度程序?qū)M(jìn)程進(jìn)行調(diào)度。這些信息包括標(biāo)志信息、說明信息、現(xiàn)場信息和管理信息等；

　?。?）標(biāo)志進(jìn)程的存在，進(jìn)程控制塊是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志

　　五、進(jìn)程隊(duì)列（ 領(lǐng)會 ）

　　1、 進(jìn)程隊(duì)列 的鏈接。

　　在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中往往會同時(shí)創(chuàng)建多個(gè) 進(jìn)程 .在單處理器的情況下，每次只能讓一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行，其他的進(jìn)程處于就緒狀態(tài)或等待狀態(tài)。為了便于管理，經(jīng)常把處于相同狀態(tài)的進(jìn)程鏈接在一起，稱“進(jìn)程隊(duì)列”，由于 進(jìn)程控制塊 能標(biāo)志進(jìn)程的存在和動態(tài)刻畫進(jìn)程的特性，因此， 進(jìn)程隊(duì)列 可以用 進(jìn)程控制塊 的連接來形成。鏈接的方式有兩種：單向鏈接和雙向鏈接。

　　2、 進(jìn)程基本隊(duì)列

　　就緒隊(duì)列 ：由若干就緒進(jìn)程按一定次序鏈接起來的隊(duì)列。

　　等待隊(duì)列 ：把等待資源或等待某些事件的進(jìn)程排列的隊(duì)列

　　3、進(jìn)程的入隊(duì)和出隊(duì)。

　　出隊(duì)和入隊(duì) ：當(dāng)發(fā)生的某個(gè)事件使一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，這個(gè)進(jìn)程就要退出所在的某個(gè)隊(duì)列而排入到另一個(gè)隊(duì)列中去。

　　出隊(duì) ：一個(gè)進(jìn)程從所在的隊(duì)列退出的操作稱為出隊(duì)

　　入隊(duì) ：一個(gè)進(jìn)程排入到一個(gè)指定的隊(duì)列的操作稱為入隊(duì)。

　　系統(tǒng)中負(fù)責(zé)進(jìn)程入隊(duì)和出隊(duì)的工作稱為隊(duì)列管理。

　　無論單向鏈接還是雙向鏈接，解決入，出隊(duì)問題，都是首先找到該隊(duì)列的隊(duì)首指針，沿鏈找出要入隊(duì)的進(jìn)程以及它要插入的位置，或找出要出隊(duì)的進(jìn)程，然后修改本進(jìn)程指針（入隊(duì)情況）和相鄰進(jìn)程的有關(guān)指針值即可。

　　六、可再入程序（ 識記 ）

　　（1） 什么是 可再入程序 . 一個(gè)能被 多個(gè)用戶同時(shí)調(diào)用 的程序稱做“ 可再入 ”的程序。

　?。?） 可再入程序的性質(zhì)。

　　可再入程序必須是純代碼，在執(zhí)行時(shí)自身不改變；

　　一個(gè)可再入程序要求調(diào)用者提供工作區(qū)，以保證程序以同樣方式為各用戶服務(wù)。

　　編譯程序 和 操作系統(tǒng)程序 通常都是“可再入”程序，能同時(shí)被不同用戶調(diào)用而構(gòu)成不同的進(jìn)程。

　　七、中斷及中斷響應(yīng)（ 領(lǐng)會 ）

　　1、 中斷 的定義。

　　一個(gè)進(jìn)程占有處理器運(yùn)行時(shí)，由于自身或者外界的原因（出現(xiàn)了事件）使運(yùn)行被打斷，讓操作系統(tǒng)處理所出現(xiàn)的事件，到適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再讓被打斷的進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行，這個(gè)過程稱為“中斷”。

　　2、 中斷 的類型。

　　從中斷事件的性質(zhì)出發(fā)，中斷可以分為兩大類：

　　。 強(qiáng)迫性中斷事件 包括硬件故障中斷，程序性中斷，外部中斷和輸入輸出中斷等

　　。 自愿性中斷事件 是由正在運(yùn)行的進(jìn)程執(zhí)行一條訪管指令用以請求系統(tǒng)調(diào)用而引起的中斷，這種中斷也稱為“訪管中斷”。

　　自愿中斷 的斷點(diǎn)是確定的，而 強(qiáng)迫性中斷 的斷點(diǎn)可能發(fā)生在任何位置。

　　3、中斷的響應(yīng)和處理。

　　中斷響應(yīng) （硬件即中斷裝置操作）

　　處理器每執(zhí)行一條指令后，硬件的中斷位置立即檢查有無中斷事件發(fā)生，若有中斷事件發(fā)生，則暫?，F(xiàn)行進(jìn)程的執(zhí)行，而讓操作系統(tǒng)的中斷處理程序占用處理器，這一過程稱為“中斷響應(yīng)”。

　　中斷響應(yīng)過程中，中斷裝置要做以下三項(xiàng)工作：

　　是否有中斷事件發(fā)生

　　判別自愿性中斷，只要檢查操作碼是否為訪管指令。

　　判別強(qiáng)迫性中斷，則要檢查中斷寄存器內(nèi)容。若為0，則無中斷；若非0，則表示有中斷事件