【文章內(nèi)容簡介】 用等運行在內(nèi)核模式下。Linux的task_struct結(jié)構(gòu)相當(dāng)于其進(jìn)程控制塊。Linux系統(tǒng)對進(jìn)程的操作常用命令有：ps、kill、sleep等。常用的系統(tǒng)調(diào)用有：fork，exec，wait，exit，getpid，sleep，nice等。（3）進(jìn)程通信進(jìn)程通信是指進(jìn)程間的信息交換。根據(jù)進(jìn)程間交換信息量的多少，分為高級進(jìn)程通信和低級進(jìn)程通信。進(jìn)程的同步與互斥是指進(jìn)程在推進(jìn)時的相互制約關(guān)系，屬于低級進(jìn)程通信。一般來說同步反映了進(jìn)程之間的協(xié)作關(guān)系，往往指有幾個進(jìn)程共同完成一個任務(wù)時在時間次序上的某種限制，進(jìn)程相互之間各自的存在及作用，通過交換信息完成通信。如接力比賽中一組隊員使用接力棒等。進(jìn)程互斥體現(xiàn)了進(jìn)程之間對資源的競爭關(guān)系，這時進(jìn)程相互之間不一定清楚其它進(jìn)程的情況，往往指多個任務(wù)多個進(jìn)程間的通訊制約，因而使用更廣泛。如打籃球時雙方掙搶籃板球等。我們用信號量（Semaphore）及P，V操作來實現(xiàn)進(jìn)程的同步和互斥。生產(chǎn)者消費者問題是經(jīng)典的進(jìn)程同步和互斥問題。（4）死鎖死鎖是指多個進(jìn)程循環(huán)等待他方占有的資源而無限期地僵持下去的局面。計算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生死鎖的根本原因就是資源有限且操作不當(dāng)。一種原因是競爭資源引起的死鎖，另一種原因是由于進(jìn)程推進(jìn)順序不合適引發(fā)的死鎖。產(chǎn)生死鎖的四個必要條件是：互斥條件，不可搶占條件，占有且申請條件，循環(huán)等待條件。如果在計算機(jī)系統(tǒng)中同時具備這四個必要條件時，那么會發(fā)生死鎖。一般地，解決死鎖的方法分為死鎖的預(yù)防、避免、檢測與恢復(fù)三種。 典型例題解析【例1】判斷題：并發(fā)是并行的不同表述，其原理相同。（ ）答案 。分析 并發(fā)是指多道程序的執(zhí)行在時間上是重疊的，一個程序的執(zhí)行尚未結(jié)束，另一個程序的執(zhí)行已經(jīng)開始。但對單CPU系統(tǒng)而言，每一時刻只有一個程序在CPU上運行（有可能此時其他的程序在進(jìn)行輸入、輸出）。也就是說，占有CPU的只能有一個程序。因此，并發(fā)實際上是“在宏觀上并行執(zhí)行，在微觀上串行執(zhí)行”。而并行是真正意義上的并行執(zhí)行，因此兩者的含義是不同的?！纠?】在操作系統(tǒng)中引入“進(jìn)程”概念的主要目的是（ ）。A．改善用戶編程環(huán)境 B．提高程序的運行速度C．描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì) D．使程序與計算過程一一對應(yīng)答案 C分析 操作系統(tǒng)中多道程序的引入，使得它們在并發(fā)執(zhí)行時共享系統(tǒng)資源，共同決定這些資源的狀態(tài)，因此系統(tǒng)中各道程序在執(zhí)行過程中就出現(xiàn)了相互制約的新關(guān)系，程序的執(zhí)行出現(xiàn)“走走停?！钡男聽顟B(tài)。這些都是在程序的動態(tài)過程中發(fā)生的。而程序本身是機(jī)器能夠翻譯或執(zhí)行的一組動作或指令，它或者寫在紙面上，或者存放在磁盤等介質(zhì)上，是靜止的。很顯然，直接從程序的字面上無法看出它什么時候運行、什么時候停頓，也看不出它是否影響其它程序或者一定受其它程序的影響。因此，用程序這個靜態(tài)概念已不能如實反映程序并發(fā)執(zhí)行過程中的這些特征。為此，人們引入進(jìn)程的概念來描述程序動態(tài)執(zhí)行過程的性質(zhì)，這是引入“進(jìn)程”概念的主要目的?！纠?】下列進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換中，不正確的是（ ）。A．就緒174。阻塞 B．運行174。就緒 C．就緒174。運行 D．阻塞174。就緒答案 A分析 回答這道題要知道進(jìn)程的3種基本狀態(tài)，以及它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。通過下圖可以看到，凡是圖中有箭頭指向的轉(zhuǎn)換都是可行的，而沒有箭頭指向的則不可能。因此A是不正確的。運行態(tài)分配到CPU時間片到等待某事件發(fā)生所等待的事件發(fā)生阻塞態(tài)就緒態(tài)圖 進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換如果有的同學(xué)記不住這張圖，那就從理解的角度進(jìn)行思考。首先要理解3種狀態(tài)的含義，然后再理解它們之間的轉(zhuǎn)換。例如：運行的進(jìn)程能變成就緒嗎？可以，如果運行進(jìn)程的時間片到了，就必修讓出CPU，轉(zhuǎn)換為就緒態(tài)。就緒的進(jìn)程能變成阻塞嗎？不可以，就緒態(tài)的進(jìn)程已經(jīng)具備了運行條件，只在等待CPU，怎么可能還退回到還不具備運行條件的阻塞態(tài)呢？因此，如果理解了，這張圖就可以自己畫出來，并不需要死記硬背?！纠?】進(jìn)程控制塊是描述進(jìn)程狀態(tài)和特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一個進(jìn)程（ ）。A．可以有多個進(jìn)程控制塊 B．可以和其他進(jìn)程共用一個進(jìn)程控制塊C．可以沒有進(jìn)程控制塊 D．只能有唯一的進(jìn)程控制塊答案 D分析 進(jìn)程控制塊（PCB）是一個用于描述進(jìn)程動態(tài)性質(zhì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)根據(jù)PCB對進(jìn)程實施控制和管理。進(jìn)程的動態(tài)、并發(fā)等特征也是通過PCB表現(xiàn)出來的。進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)、棧和PCB構(gòu)成。構(gòu)成進(jìn)程的有關(guān)程序和數(shù)據(jù)集合是進(jìn)程得以存在的物質(zhì)基礎(chǔ)，它們是進(jìn)程的實體；PCB用于標(biāo)識和刻畫實體的存在和變化，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個新進(jìn)程時，就為它建立一個PCB；當(dāng)進(jìn)程終止后，系統(tǒng)回收為其分配的PCB，該進(jìn)程在系統(tǒng)中就不存在了。【例5】在執(zhí)行V操作時，當(dāng)信號量的值（ ），應(yīng)釋放一個等待該信號量的進(jìn)程。 A．小于0 B．大于0 C．小于等于0 D．大于等于0答案 C分析 P，V操作能夠?qū)崿F(xiàn)對臨界區(qū)的管理要求。它由P操作原語和V操作原語組成（原語是不可中斷的過程），對信號量進(jìn)行操作，具體定義如下： P（S）：①將信號量S的值減1，即S=S1； ②如果S179。0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則該進(jìn)程置為阻塞狀態(tài)，排入阻塞隊列。 V（S）：①將信號量S的值加1，即S=S+1； ②如果S0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則釋放隊列中第一個等待信號量的進(jìn)程。 信號量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個值和一個指針，指針指向等待該信號量的下一個進(jìn)程。信號量的值與相應(yīng)資源的使用情況有關(guān)。當(dāng)它的值大于0時，表示當(dāng)前可用資源的數(shù)量；當(dāng)它的值小于0時，其絕對值表示等待使用該資源的進(jìn)程個數(shù)。注意，信號量的值僅能由P，V操作來改變。一般來說，信號量S179。0時，S表示可用資源的數(shù)量。執(zhí)行一次P操作意味著請求分配一個單位資源，因此S的值減1；當(dāng)S0時，表示已經(jīng)沒有可用資源，請求者必須等待別的進(jìn)程釋放該類資源，它才能運行下去。而執(zhí)行一個V操作意味著釋放一個單位資源，因此S的值加1；若S163。0，表示有某些進(jìn)程正在等待該資源，因此要喚醒一個等待狀態(tài)的進(jìn)程，使之運行下去。【例6】有9個生產(chǎn)者，6個消費者，共享容量為8的緩沖區(qū)。在這個生產(chǎn)者消費者問題中，互斥使用緩沖區(qū)的信號量mutex的初值應(yīng)該為（ ）。 A．1 B．6 C．8 D．9答案 A分析 進(jìn)程的互斥是指當(dāng)有若干個進(jìn)程都要使用某一共享資源時，任何時刻最多只允許一個進(jìn)程去使用，其它要使用該資源的進(jìn)程必須等待，直到占用資源者釋放了該資源。 進(jìn)程的互斥體現(xiàn)了并發(fā)進(jìn)程之間訪問共享資源時存在的競爭關(guān)系。在計算機(jī)系統(tǒng)中必須互斥使用的資源很多，如讀卡機(jī)、磁帶機(jī)、打印機(jī)等硬件資源和一些公共變量、表格、隊列、數(shù)據(jù)等軟件資源。 利用信號量和P，V操作實現(xiàn)進(jìn)程互斥的一般模型是：進(jìn)程P1 進(jìn)程P2 …… 進(jìn)程Pn…… …… ……P（mutex）； P（mutex）； P（mutex）；臨界區(qū)； 臨界區(qū)； 臨界區(qū)；V（mutex）； V（mutex）； V（mutex）；…… …… …… …… 其中信號量mutex用于互斥，初值為1。 使用P，V操作實現(xiàn)進(jìn)程互斥時應(yīng)該注意的是： （1）每個程序中用戶實現(xiàn)互斥的P、V操作必須成對出現(xiàn)，先做P操作，進(jìn)臨界區(qū)，后做V操作，出臨界區(qū)。若有多個分支，要認(rèn)真檢查其成對性。 （2）互斥信號量的初值一般為1。 此外，P、V操作應(yīng)分別緊靠臨界區(qū)的頭尾部，臨界區(qū)的代碼應(yīng)盡可能短，不能有死循環(huán)。 在本題中，既然是問互斥信號量，其初值應(yīng)為1，選項中的6，8，9都是迷惑答題者的，如果對同步和互斥不能很好地理解，就很難選擇。【例7】兩個進(jìn)程合作完成一個任務(wù)，在并發(fā)執(zhí)行中，一個進(jìn)程要等待其合作伙伴發(fā)來信息，或者建立某個條件后再向前執(zhí)行，這種關(guān)系是進(jìn)程間的（ ）關(guān)系。 A．同步 B．互斥 C．競爭 D．合作答案 A分析 進(jìn)程的同步是指并發(fā)進(jìn)程之間存在一種制約關(guān)系，一個進(jìn)程的執(zhí)行依賴另一個進(jìn)程的消息，當(dāng)一個進(jìn)程沒有得到另一個進(jìn)程的消息時應(yīng)等待，直到消息到達(dá)才被喚醒。 同步是進(jìn)程間共同完成一項任務(wù)時直接發(fā)生相互作用的關(guān)系。這樣的例子在日常生活中不勝枚舉，比如接力比賽中運動員的默契配合，工業(yè)生產(chǎn)中流水作業(yè)的每道工序的先后執(zhí)行，以及計算機(jī)系統(tǒng)中對一個緩沖區(qū)的讀和寫等等。當(dāng)并發(fā)進(jìn)程存在協(xié)作的關(guān)系時，必須互通消息，完成進(jìn)程的同步。 能實現(xiàn)進(jìn)程同步的機(jī)制稱為同步機(jī)制，該機(jī)制能把其他進(jìn)程需要的消息發(fā)送出去，也能測試自己需要的消息是否到達(dá)。 P，V操作是典型的同步機(jī)制之一。用一個信號量與一個消息聯(lián)系起來，當(dāng)信號量的值為0時，表示期望的消息尚未產(chǎn)生；當(dāng)信號量的值非0時，表示期望的消息已經(jīng)存在。用P，V操作實現(xiàn)進(jìn)程同步時，調(diào)用P操作測試消息是否到達(dá)，調(diào)用V操作發(fā)送消息。 使用PV操作實現(xiàn)進(jìn)程同步時應(yīng)該注意的是： （1）分析進(jìn)程間的制約關(guān)系，確定信號量種類。在保持進(jìn)程間有正確的同步關(guān)系情況下，哪個進(jìn)程先執(zhí)行，哪些進(jìn)程后執(zhí)行，彼此間通過什么資源（信號量）進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而明確要設(shè)置哪些信號量。 （2）信號量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P、V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。（3）同一信號量的P、V操作要成對出現(xiàn)，但它們分別在不同的進(jìn)程代碼中。本題中進(jìn)程的同步體現(xiàn)的是合作關(guān)系，但答案不能選D，要使用操作系統(tǒng)的術(shù)語“同步”。【例8】設(shè)有一臺計算機(jī)，有兩條I/O通道，分別接一臺卡片輸入機(jī)和一臺打印機(jī)?？ㄆ瑱C(jī)把一疊卡片逐一輸入到緩沖區(qū)B1中，加工處理后再搬到緩沖區(qū)B2中，并在打印機(jī)上打印結(jié)果。問：① 系統(tǒng)要設(shè)幾個進(jìn)程來完成這個任務(wù)？各自的工作是什么？② 這些進(jìn)程間有什么樣的相互制約關(guān)系？③ 用P、V操作寫出這些進(jìn)程的同步算法。分析 我們畫一個草圖來幫助我們理解這道題：卡片機(jī)緩沖區(qū)B1打印機(jī)緩沖區(qū)B2輸入處理輸出從圖中可以看出，從“卡片機(jī)”到“打印機(jī)”共需要3個操作，即輸入、處理、輸出。這3個動作就是完成任務(wù)的3個進(jìn)程。下面我們看看這些進(jìn)程之間有什么樣的制約關(guān)系?？梢钥闯觯@3個進(jìn)程之間是同步關(guān)系，合作完成從輸入到輸出的工作任務(wù)。對其中任何一個進(jìn)程，要處理好與其關(guān)聯(lián)的兩端設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。以“輸入進(jìn)程”為例，它與卡片機(jī)和緩沖區(qū)B1關(guān)聯(lián)，將卡片機(jī)的卡片輸入到緩沖區(qū)B1，在不考慮卡片機(jī)的情況下，就要考慮緩沖區(qū)的情況，即是滿還是空，是空緩沖區(qū)，輸入進(jìn)程就可以輸入信息，如果緩沖區(qū)滿，則要等待“處理進(jìn)程”將B1中的信息取走，使之為空，輸入進(jìn)程才能繼續(xù)工作。依此類推，可以找出另外2個進(jìn)程的制約關(guān)系。一般來說，處理進(jìn)程同步需要2個信號量，“輸入進(jìn)程”和“處理進(jìn)程”同步，需要2個信號量，解決緩沖區(qū)B1的協(xié)調(diào)操作問題；而“處理進(jìn)程”和“輸出進(jìn)程”同步，還需要2個信號量，解決緩沖區(qū)B2的協(xié)調(diào)操作問題。因此，共需要4個信號量。本題中“處理進(jìn)程”的算法有一些難度，因為它需要協(xié)調(diào)兩個緩沖區(qū)的工作，考慮的因素比較多，算法復(fù)雜些。答案①系統(tǒng)可設(shè)三個進(jìn)程來完成這個任務(wù)：R進(jìn)程負(fù)責(zé)從卡片輸入機(jī)上讀入卡片信息，輸入到緩沖區(qū)B1中；C進(jìn)程負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)B1中取出信息，進(jìn)行加工處理，之后將結(jié)果送到緩沖區(qū)B2中；P進(jìn)程負(fù)責(zé)從緩沖區(qū)B2中取出信息，并在打印機(jī)上印出。②R進(jìn)程受C進(jìn)程影響，B1放滿信息后R進(jìn)程要等待——等C進(jìn)程將其中信息全部取走，才能繼續(xù)讀入信息；C進(jìn)程受R進(jìn)程和P進(jìn)程的約束：B1中信息放滿后C進(jìn)程才可從中取出它們，且B2被取空后，C進(jìn)程才可將加工結(jié)果送入其中；P進(jìn)程受C進(jìn)程的約束：B2中信息放滿后P進(jìn)程才可從中取出它們,進(jìn)行打印。③信號量含義及初值：B1full—— 緩沖區(qū)B1滿，初值為0；B1empty——緩沖區(qū)B1空，初值為1；B2full—— 緩沖區(qū)B2滿，初值為0；B2empty——緩沖區(qū)B2空，初值為1； 說明 前面我們說過：信號量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P、V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。以本題為例，如果R進(jìn)程的算法如下：則信號量B1empty初值應(yīng)為1。表示B1緩沖區(qū)初始為空閑狀態(tài)。 如果C進(jìn)程的算法如下： 則信號量B2empty初值應(yīng)為1。表示B2緩沖區(qū)初始為空閑狀態(tài)?！纠?】死鎖的四個必要條件中，無法破壞的是（ ）。A．互斥條件 B．不可搶占條件C．占有且申請條件 D．循環(huán)等待條件答案 A分析 互斥條件、不可搶占條件、占有且申請條件和循環(huán)等待條件是死鎖發(fā)生時的4個必要條件，我們知道，只要破壞這4個必要條件中的任意一個條件，死鎖就不會發(fā)生。打破互斥條件，就是允許進(jìn)程同時訪問某些資源。但是，有的資源是不允許被同時訪問的，如打印機(jī)等，這是由資源本身的屬性所決定的，因此這種方法并無實用價值。而其他三個條件是完全可以破壞的。 練習(xí)題一、選擇題（選擇一個正確答案的代碼填入括號中）