【正文】 ? 保護(hù)錯(cuò) ——試圖訪問不允許訪問的資源或文件 ， 或者以不適當(dāng)方式訪問 ? 非法指令 ? 特權(quán)指令錯(cuò) ——用戶程序試圖執(zhí)行只允許 OS執(zhí)行的指令 ? 運(yùn)行超時(shí) ? 等待超時(shí) ? 算術(shù)運(yùn)算錯(cuò) ——被 0除 ? I/O故障 ? 操作員或操作系統(tǒng)干 預(yù)（如發(fā)生死鎖） ? 父進(jìn)程請(qǐng)求 ? 父進(jìn)程終止 進(jìn)程的終止 ▲ 異常結(jié)束 常見的異常 結(jié)束事件 96 2．進(jìn)程的終止過程 OS調(diào)用終止原語，按下述過程終止進(jìn)程： (1)根據(jù)被終止進(jìn)程的標(biāo)識(shí) ， 從 PCB集合中找除該進(jìn)程的PCB， 讀出該進(jìn)程狀態(tài) 。 如 ， 啟動(dòng)了某 I/O設(shè)備 ， …… ▲ 新數(shù)據(jù)尚未到達(dá) 對(duì)于相互合作的進(jìn)程 ， 如果其中一個(gè)進(jìn)程需要獲得另一個(gè) （ 合作 ）進(jìn)程提供的數(shù)據(jù)才能運(yùn)行以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 ， 則只要其所需數(shù)據(jù)尚未到達(dá) ， 該進(jìn)程只有阻塞 （ 等待 ） 。 ▲ 若該進(jìn)程正在執(zhí)行，則轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度程序重新調(diào)度。 進(jìn)程互斥 （ 2）直接制約關(guān)系 源于進(jìn)程間的合作。 counter = register1； 消費(fèi)者執(zhí)行的操作： register2 = counter ； register2 = register2 1 ； counter = register2； 108 假設(shè)某一時(shí)刻 counter的值為 5，生產(chǎn)者和消費(fèi)者同時(shí)對(duì) counter操作，按下述順序執(zhí)行： register1 = counter。 解決此問題的關(guān)鍵，是應(yīng)將變量 counter作為臨界資源處理，亦即讓生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程互斥地訪問變量 counter。 repeat 非臨界區(qū) 進(jìn)入?yún)^(qū) 臨界區(qū) 退出區(qū) 非臨界區(qū) until false 一般結(jié)構(gòu) ―進(jìn) 入 區(qū) ” 和“ 退出區(qū) ” 的不同構(gòu)成方法 ，形成了各種不同的 同步機(jī)制 。 ——不忙碌等待 。 114 記錄型信號(hào)量 需要一個(gè)用于代表臨界資源數(shù)目的整型變量value；還要一個(gè)在該資源上阻塞的隊(duì)列 （ 鏈表 ）指針 L。 /*喚醒第一個(gè)等待的進(jìn)程 */ } P(S) V(S) 中某類資源的數(shù)目。加 1和減 1操作的指令序列分別如下所示。amp。amp。 請(qǐng)看下頁的例子 非臨界區(qū) wait(mutex) //進(jìn)入?yún)^(qū) 臨界區(qū) signal(mutex) //退出區(qū) 非臨界區(qū) 123 利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的簡單例子 ? 某交通路口設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)由 “ 觀察者 ”進(jìn)程和 “ 報(bào)告者 ” 進(jìn)程組成 。 print（ count） 。 程序描述如下： 初始化 parbegin // parbegin表示并發(fā)執(zhí)行開始 process P1： { 執(zhí)行 S1。 執(zhí)行 S3。 } process P6： { wait(S36)。 ★ 當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，消費(fèi)者可從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)；當(dāng)緩沖區(qū)空時(shí)，消費(fèi)者必須等待 (阻塞 )，待生產(chǎn)者存入產(chǎn)品后將其喚醒后，才能再從緩沖區(qū)取產(chǎn)品。//測試 buffer=nextp。 empty=n full=0 133 semaphore empty,full。 signal(full)。 } parend 本題中 in和 out不是共享變量 (因?yàn)橹挥幸粋€(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)者 )，無需互斥訪問。//測試 buffer[in]=nextp。 } parend 132 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題的第二種特殊情況 一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、 n個(gè)緩沖區(qū)的 PC問題 n1 5 4 3 2 1 0 P C 循環(huán)緩沖區(qū) … ? 為生產(chǎn)者設(shè)置一個(gè)資源信號(hào)量 empty， 其初值為生產(chǎn)者的可用資源數(shù) (空緩沖區(qū)的個(gè)數(shù) )n， 即empty=n。 parbegin process Producer: { ... produce an item in nextp。 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題是相互合作進(jìn)程關(guān)系的一種抽象 ， 例如 ， …… 先介紹最簡單的 PC問題 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題從特殊到一般 (從易到難 )可以分 3種形式： ▲ 一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、一個(gè)緩沖區(qū)的問題； ▲ 一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、 n個(gè)緩沖區(qū)的問題； ▲ k個(gè)生產(chǎn)者、 m個(gè)消費(fèi)者、 n個(gè)緩沖區(qū)的問題； 128 最簡單的 生產(chǎn)者 消費(fèi)者問題 緩沖區(qū) P C 一個(gè)生產(chǎn)者、一個(gè)消費(fèi)者、一個(gè)緩沖區(qū)的問題如右圖所示。 執(zhí)行 S5。 signal(S25)。 ==0。 signal（ S） 。 從所有 Si等待隊(duì)列中移出進(jìn)程并置入就緒隊(duì)列。 從所有 Si等待隊(duì)列中移出進(jìn)程并置入就緒隊(duì)列。 (2022年全國考研試題 ) A． 0、 1 B． 0 C． 2 D． 0 B D 3 119 1. 設(shè)有 n個(gè)進(jìn)程使用同一個(gè)共享變量，如果最多允許 m(m n)個(gè)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)入相關(guān)臨界區(qū)，則信號(hào)量的變化范圍是 。 117 作業(yè) 1——進(jìn)程同步 (1) 8. (2022全國試題 )有兩個(gè)并發(fā)進(jìn)程 P1和 P2，共享初值為 1的變量 x。 /* 讓權(quán)等待 */ } void signal (semaphore S ) { = + 1 。 ——后邊重點(diǎn)介紹 。 不互相阻塞 。 進(jìn)程互斥 ——不允許兩個(gè)或兩個(gè)以上進(jìn)程同時(shí)進(jìn)入 相關(guān)臨界區(qū) 。 (生產(chǎn)者保存 counter的新值 6) 最終 counter的值為 6，正確的值應(yīng)是 5，出現(xiàn)了差錯(cuò)。 但若并發(fā)執(zhí)行時(shí) ， 可能會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò) ，問題在于這兩個(gè)進(jìn)程共享變量 counter。 進(jìn)程同步的基本概念 信號(hào)量機(jī)制 信號(hào)量的應(yīng)用 103 進(jìn)程同步的基本概念 1．兩種形式的制約關(guān)系 （ 1）間接制約關(guān)系 間接制約關(guān)系源于資源共享。 100 1．進(jìn)程的掛起 當(dāng)出現(xiàn)了引起進(jìn)程掛起的事件時(shí) (用戶進(jìn)程請(qǐng)求將自己掛起，或父進(jìn)程請(qǐng)求將子進(jìn)程掛起 )，系統(tǒng)將用掛起原語 suspend( )將指定進(jìn)程或處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程掛起。 如 ， 進(jìn)程請(qǐng)求打印機(jī) ， …… 系統(tǒng)往往設(shè)置一些具有特定功能的系統(tǒng)進(jìn)程 ， 每當(dāng)這種進(jìn)程完成任務(wù)后 ， 便把自己阻塞起來以等待新任務(wù)到來 。包括： 初始化標(biāo)識(shí)信息 初始化處理機(jī)狀態(tài)信息： 程序計(jì)數(shù)器，堆棧指針等 進(jìn)程狀態(tài) ——就緒或靜止就緒、優(yōu)先級(jí)等。 ?進(jìn)程控制包括： ? 創(chuàng)建進(jìn)程 ? 終止進(jìn)程 ? 進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換 ?進(jìn)程控制是由 OS的內(nèi)核完成的。 ★ 進(jìn)程調(diào)度所需的其它信息 ——它們與所采用的進(jìn)程調(diào)度算法有關(guān)。 例如：進(jìn)程調(diào)度；現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)；進(jìn)程同步和通信。 83 進(jìn)程的三種基本狀態(tài)的轉(zhuǎn)換： 進(jìn)程調(diào)度 ：就緒態(tài) ?執(zhí)行態(tài) 時(shí)間片完 ：執(zhí)行態(tài) ?就緒態(tài) 請(qǐng)求 I/O：執(zhí)行態(tài) ?阻塞態(tài) I/O完成 ：阻塞態(tài) ?就緒態(tài) 引起進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換的典型事件： 84 掛起狀態(tài) ： 有些系統(tǒng)除了進(jìn)程的三種基本狀態(tài)外，還有掛起狀態(tài) 。 (傳統(tǒng) OS的定義 ) 定義 1）結(jié)構(gòu)特征： 程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段、 PCB三部分構(gòu)成了 進(jìn)程實(shí)體 。 某程序的執(zhí)行時(shí)，會(huì)受到其他程序的影響。即 ● 程序運(yùn)行時(shí)獨(dú)占全機(jī)資源，資源的狀態(tài)（除初始態(tài)外）只有本程序才能改變它。 A. 多道批處理系統(tǒng) B. 實(shí)時(shí)系統(tǒng) C. 分時(shí)系統(tǒng) D. 分布式系統(tǒng) 13．操作系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中處于 之間的位置。 A. 方便用戶的程序集合 B. 控制和管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源 C. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源的集合 D. 合理地組織計(jì)算機(jī)工作流程 A C 69 5．分時(shí)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)是 。如進(jìn)行中斷現(xiàn)場保護(hù)，識(shí)別中斷或陷入類型，然后將有關(guān)事件的信息轉(zhuǎn)換成消息后，發(fā)送給相應(yīng)的服務(wù)器作中斷后期處理。 ? 機(jī)制處于系統(tǒng)的低層 ， 而策略處于系統(tǒng)的高層 。 在與微內(nèi)核技術(shù)發(fā)展的同時(shí) ， 客戶 /服務(wù)器技術(shù) 、面向?qū)ο蠹夹g(shù) 也在迅速發(fā)展 ， 把它們應(yīng)用到基于微內(nèi)核結(jié)構(gòu)的 OS中 ， 便具有了以微內(nèi)核為 OS核心 ， 以客戶 /服務(wù)器為基礎(chǔ) ， 并且采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法的特征 。 3. 設(shè)備管理功能 54 設(shè)備管理應(yīng)具有以下功能： 1. 緩沖管理 ——在設(shè)備和 CPU之間引入緩沖，可有效地緩和 CPU和 I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高 CPU的利用率，進(jìn)而提高系統(tǒng)的吞吐量。 虛擬存儲(chǔ)器技術(shù)在本質(zhì)上就是使內(nèi)存時(shí)分復(fù)用和空分復(fù)用。 45 通過 虛擬設(shè)備 技術(shù) ， 將一臺(tái)物理 I/O設(shè)備虛擬為多臺(tái)邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 允許每個(gè)用戶占用一臺(tái)邏輯上的 I/O設(shè)備 ， 這樣便可使原來在一段時(shí)間僅允許一個(gè)用戶訪問的設(shè)備 （ 即臨界資源 ） ， 變?yōu)樵谝欢螘r(shí)間內(nèi)允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問的共享設(shè)備 。 共享資源 42 ? 資源的共享是以進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行為條件的，若系統(tǒng)不允許程序并發(fā)執(zhí)行，自然不存在資源共享問題； ? 若系統(tǒng)不能對(duì)資源共享實(shí)施有效管理，協(xié)調(diào)好諸進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問，也必然影響到程序并發(fā)執(zhí)行的程度，甚至根本無法并發(fā)執(zhí)行。 ? 直到 80年代中期 ， 人們才提出了比進(jìn)程更小的單位 ——線程 （ Threads） 。 在多道程序環(huán)境下，并發(fā)性是指在一段時(shí)間內(nèi)，宏觀上有多個(gè)程序在同時(shí)運(yùn)行，但在單處理機(jī)系統(tǒng)中，每一時(shí)刻卻只能有一道程序執(zhí)行，故微觀上這些程序只能是分時(shí)地交替執(zhí)行。一般為秒級(jí)、百毫秒級(jí)直至毫秒級(jí)，甚至有的要低于100微秒。 （ 2）實(shí)時(shí)信息處理。 對(duì)修改和調(diào)試程序極不方便。 (2) 無序性 ： 先進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能后完成；后進(jìn)入內(nèi)存的作業(yè)可能先完成。 缺點(diǎn)： ? 用戶獨(dú)占全機(jī)； ? CPU等待人工操作 18 2．脫機(jī)輸入 /輸出方式 優(yōu)點(diǎn) ： （ 1）減少了 CPU的空閑時(shí)間 （ 2） 提高了 I/O速度 外圍機(jī) 磁帶機(jī) 磁帶機(jī) 磁帶機(jī) 磁帶機(jī) 外圍機(jī) 輸出機(jī) 主機(jī) 輸入設(shè)備 圖 12 脫機(jī) I/O示意圖 19 單道批處理系統(tǒng) ?把一批作業(yè)以脫機(jī)方式輸入到磁帶上； ?在監(jiān)督程序 （ Monitor）控制下使這批作業(yè) 一個(gè)接一個(gè)地連續(xù)處理。 第二個(gè)層次的抽象 。 8 4． 開放性 ? 為什么要有開放性 ？ 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ， 特別是 LAN的迅速發(fā)展 ， 使 OS的應(yīng)用環(huán)境由單機(jī)轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 。 如何才有可擴(kuò)充性？ 應(yīng)采用新的 OS結(jié)構(gòu)，如微內(nèi)核結(jié)構(gòu)和客戶服務(wù)器模式。 3. OS實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象 虛擬性 是OS的基本特征之一 用戶 用戶 物理接口 硬件 物理接口 硬件 I/O軟件 I/O操作命令 (Read, Write) 機(jī)器指令 虛擬機(jī) 圖 12 I/O軟件隱藏了 I/O操作實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié) 第一層軟件 第二層軟件 13 為了方便用戶使用文件系統(tǒng)，又在第一層軟件上再覆蓋一層用于文件的管理軟件，用它來實(shí)現(xiàn)對(duì)文件操作的細(xì)節(jié)，并向上提供一組對(duì)文件進(jìn)行存取操作的命令。 ? 當(dāng)程序運(yùn)行完畢并取走計(jì)算結(jié)果后，才讓下一個(gè)用戶上機(jī)。提高了資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。 作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間是指從作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)（提交）開始，直至它完成并退出系統(tǒng)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。 飛機(jī)或火車的訂票系統(tǒng)、情報(bào)檢索系統(tǒng)等 。 （ 2）獨(dú)立性： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)中對(duì)信息的采集和對(duì)對(duì)象的控制，也都是彼此互不干擾 （ 3）及時(shí)性： 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的及時(shí)性，是以控制對(duì)象所要求的開始截止時(shí)間或完成截止時(shí)間來確定的。 并發(fā)性 ——兩個(gè)或多個(gè)事件在同一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生。 ? 進(jìn)程和并發(fā)是現(xiàn)代 OS中最重要的基本概念 ， 也是 OS運(yùn)行的基礎(chǔ) 。這里所說的 “ 同時(shí) ” 往往是宏觀上的，而微觀上，這些進(jìn)程可能是交替地對(duì)該資源進(jìn)行訪問。 此時(shí) ， 雖然系統(tǒng)中只有一臺(tái)處理機(jī) ， 但它能同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù) ， 使每個(gè)終端用戶都認(rèn)為有一臺(tái)處理機(jī)在專門為他服務(wù) ， 亦即把一臺(tái)物理上的 CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU， 也稱為 虛擬處理機(jī) 。 單純的空分復(fù)用存儲(chǔ)器只能提高內(nèi)存的利用率，不能實(shí)現(xiàn)在邏輯上擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量的功能，必須引入 虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 才能達(dá)到此目的 。 也可稱為 進(jìn)程管理 51 處理機(jī)管理的主要功能是： ?創(chuàng)建和撤消進(jìn)程（線程） ?對(duì)諸進(jìn)程（線程）的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào) ?實(shí)現(xiàn)進(jìn)程（線程）之間的信息交換 ?按照一定的算法把處理機(jī)分配給進(jìn)程（線程） 進(jìn)程控制