自考“操作系統(tǒng)原理”復(fù)習(xí)資料（3）

本章考核知識(shí)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(jí) 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(huì) ）

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(chǔ)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(chǔ)保護(hù) ：在多道程序設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，主存儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)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(dòng) ：在多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，對(duì)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(dòng)到另一個(gè)區(qū)域，程序被移動(dòng)后仍絲毫不影響它的執(zhí)行，這種技術(shù)稱為“程序浮動(dòng)”。

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(chǔ)保護(hù)”的方法保證各道程序互不侵犯；

用“程序浮動(dòng)”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(duì)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(chǔ)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(duì)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(duì)資源的要求而定：

（1）主存儲(chǔ)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；

（3）多個(gè)程序同時(shí)要求使用同一資源的情況也會(huì)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(duì)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(duì)資源的要求。

二、 進(jìn)程（ 領(lǐng)會(huì) ）

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(huì)在內(nèi)存中建立一個(gè)記事本程序的進(jìn)程，而我們?cè)谟浭卤局芯庉嫷漠?dāng)前文字就是這個(gè)進(jìn)程的數(shù)據(jù)集，操作系統(tǒng)會(huì)為當(dāng)前的進(jìn)程設(shè)置一個(gè)進(jìn)程控制塊。如果我們?cè)俅蜷_一個(gè)記事本程序的窗口，就會(huì)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(dòng)態(tài)的。進(jìn)程包括程序和程序處理的對(duì)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(duì)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(huì) ）

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(huì)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(jí)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(huì) ）

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

?，F(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(dòng)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(duì)進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。

進(jìn)程控制塊的作用有：

（1）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；

（2）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(huì) ）

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(huì)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(dòng)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(shí)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。

（2） 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(huì) ）

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(qǐng)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，則暫停現(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，則表示有中斷事件發(fā)生。

若有中斷發(fā)生，保護(hù)斷點(diǎn)信息

每個(gè)程序都有一個(gè)程序狀態(tài)字（PSW）來反映本狀態(tài)的執(zhí)行狀態(tài)，如基本狀態(tài)、中斷碼和中斷屏蔽位等內(nèi)容。處理器設(shè)有一個(gè)“程序狀態(tài)字寄存器”用來存放當(dāng)前運(yùn)行程序的PSW.程序狀態(tài)字可分為當(dāng)前PSW、舊PSW和新PSW.

當(dāng)出現(xiàn)中斷事件后，把被中斷進(jìn)程的PSW保存為舊PSW，即完成斷點(diǎn)信息保護(hù)。

啟動(dòng)操作系統(tǒng)的中斷處理程序工作

中斷裝置通過“交換PSW”過程完成此項(xiàng)任務(wù)，即把出現(xiàn)的中斷事件存放到當(dāng)前PSW中斷碼位置，然后把該當(dāng)前PSW保存為舊PSW，再把操作系統(tǒng)中斷處理程序的新PSW送到程序狀態(tài)字寄存器中，成為當(dāng)前的PSW.

中斷處理 （ 軟件即操作系統(tǒng)操作 ）

操作系統(tǒng)的中斷處理程序?qū)χ袛嗍录M(jìn)行處理時(shí)，大致要做三方面的工作：

保護(hù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場信息

把中斷時(shí)的通用寄存器，控制寄存器內(nèi)容及舊PSW保存到被中斷進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中。

分析中斷原因

根據(jù)舊PSW的中斷碼可知發(fā)生該中斷的具體原因。

處理發(fā)生的中斷事件

一般只做一些簡單處理，在多數(shù)情況下把具體的處理交給其他程序模塊去做。

八、 中斷優(yōu)先級(jí)和中斷屏蔽（ 識(shí)記 ）

1、 中斷優(yōu)先級(jí) 是硬件設(shè)計(jì)時(shí)確定的。中斷裝置按預(yù)定的順序來響應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)的中斷事件，這個(gè)預(yù)定的順序稱為“中斷優(yōu)先級(jí)”。中斷優(yōu)先級(jí)是按中斷事件的重要性和緊迫程度來確定的 ，是由硬件設(shè)計(jì)時(shí)固定下來的。一般情況下，優(yōu)先級(jí)的高低順序依次為： 硬件故障中斷 、 自愿中斷 、 程序性中斷 ， 外部中斷和輸入輸出中斷 .

2、中斷的嵌套處理

3、中斷屏蔽的作用。中斷優(yōu)先級(jí)只是規(guī)定了中斷裝置響應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)的中斷的次序，當(dāng)中斷裝置響應(yīng)了某個(gè)中斷后中斷處理程序在進(jìn)行處理時(shí)，中斷裝置也可能去響應(yīng)另一個(gè)中斷事件。因此會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)低的中斷事件的處理打斷優(yōu)先級(jí)高的中斷事件的處理，使得中斷事件的處理順序與響應(yīng)順序不一致，而且會(huì)形成多重嵌套處理，使多現(xiàn)場保護(hù)、程序返回等工作變的復(fù)雜。

中斷屏蔽技術(shù)就是為了解決上述問題而提出的在一個(gè)中斷處理沒有結(jié)束之前不響應(yīng)其他中斷事件，或者只響應(yīng)比當(dāng)前級(jí)別高的中斷事件。于是，當(dāng)中斷裝置檢查到有中斷事件后，便去查看PSW中中斷屏蔽標(biāo)志，如果沒有屏蔽就響應(yīng)該中斷；否則，暫時(shí)不響應(yīng)該中斷，待屏蔽標(biāo)志消除后再響應(yīng)。自愿中斷是不能屏蔽的。

九、 進(jìn)程調(diào)度（ 領(lǐng)會(huì) ）

1、進(jìn)程調(diào)度的職責(zé)。按選定的進(jìn)程調(diào)度算法從就緒隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程，讓它占用處理器。

2、選擇進(jìn)程調(diào)度算法的幾個(gè)準(zhǔn)則：

。提高處理器利用率

。增大吞吐量

。減少等待時(shí)間

?？s短響應(yīng)時(shí)間

3、進(jìn)程調(diào)度的常用算法： 先來先服務(wù) 、 優(yōu)先數(shù)法 、 輪轉(zhuǎn)法 、 分級(jí)調(diào)度 .

先來先服務(wù)調(diào)度算法 該算法按進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列的先后次序選擇可以占用處理器的進(jìn)程。

優(yōu)先數(shù)調(diào)度算法 對(duì)每個(gè)進(jìn)程確定一個(gè)優(yōu)先數(shù)，該算法總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程先使用處理器。對(duì)具有相同優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程，再采用先來先服務(wù)的次序分配處理器。系統(tǒng)常以任務(wù)的緊迫性和系統(tǒng)效率等因素確定進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)。進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)可以固定的，也可隨進(jìn)程執(zhí)行過程動(dòng)態(tài)變化。 一個(gè)高優(yōu)先數(shù)的進(jìn)程占用處理器后，系統(tǒng)處理該進(jìn)程時(shí)有兩種方法，一是“非搶占式”，另一種是“可搶占式”。前者是此進(jìn)程占用處理器后一直運(yùn)行到結(jié)束，除非本身主動(dòng)讓出處理器，后者則是嚴(yán)格保證任何時(shí)刻總是讓優(yōu)先數(shù)最高的進(jìn)程在處理器上運(yùn)行。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法 把規(guī)定進(jìn)程一次使用處理器的最長時(shí)間稱為“時(shí)間片”。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法讓就緒進(jìn)程按就緒的先后次序排成隊(duì)列，每次總選擇該隊(duì)列中第一個(gè)進(jìn)程占用處理器，但規(guī)定只能使用一個(gè)時(shí)間片，如該進(jìn)程尚未完成，則排入隊(duì)尾，等待下一個(gè)供它使用的時(shí)間片。各個(gè)進(jìn)程就這樣輪轉(zhuǎn)運(yùn)行。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法經(jīng)常用于分時(shí)操作系統(tǒng)中。

分級(jí)調(diào)度算法 由系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)就緒隊(duì)列，每個(gè)就緒隊(duì)列中的進(jìn)程按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法占用處理器，這就是分級(jí)調(diào)度算法。

4、 進(jìn)程的切換 進(jìn)程調(diào)度將從就緒隊(duì)列中另選一個(gè)進(jìn)程占用處理器，使一個(gè)進(jìn)程讓出處理器，由另一個(gè)進(jìn)程占用處理器的過程稱“進(jìn)程切換”。

若有一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)變成等待態(tài)，或完成工作后就撤消，則必定會(huì)發(fā)生進(jìn)程切換。若一個(gè)進(jìn)程從運(yùn)行態(tài)或等待態(tài)變成就緒態(tài)，則不一定發(fā)生進(jìn)程切換。