第2章 进程管理

2.1 进程与线程

2.1.1 进程的概念和特征

1、进程的概念
在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时它们将失去封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征。为此引入了进程（Process）的概念，以便更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性（最基本的两个特性）。

为了使参与并发执行的程序（含数据）能独立地运行，必须为之配置一个专门的数据结构，称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。系统利用PCB来描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。相应地，由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像（进程实体）。所谓创建进程，实质上是创建进程映像中的PCB；而撤销进程，实质上是撤销进程的PCB。值得注意的是，进程映像是静态的，进程则是动态的。

注意：PCB是进程存在的唯一标志！
从不同的角度，进程可以有不同的定义，比较典型的定义有：
1）进程是程序的一次执行过程。
2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3）进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
引入进程实体的概念后，我们可以把传统操作系统中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统进程资源分配和调度的一个独立单位。”

读者要准确理解这里说的系统资源。它指处理机、存储器和其他设备服务于某个进程的“时间”，例如把处理机资源理解为处理机的时间片才是准确的。因为进程是这些资源分配和调度的独立单位，即“时间片”分配的独立单位，这就决定了进程一定是一个动态的、过程性的概念。

2、进程的特征
进程是由多道程序的并发执行而引出的，它和程序是两个截然不同的概念。进程的基本特征是对比单个程序的顺序执行提出的，也是对进程管理提出的基本要求。

1）动态性。进程是程序的一次执行，它有创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，是动态地产生、变化和消亡的。动态性是进程最基本的特征。
2）并发性。指多个进程实体同时存于内存中，能在一段时间内同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也是操作系统的重要特征。引入进程的目的就是为了使程序能与其他进程的程序并发执行，以提高资源利用率。
3）独立性。指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。凡未建立PCB的程序，都不能作为一个独立的单位参与运行。
4）异步性。由于进程的相互制约，使得进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。异步性会导致执行结果的不可再现性，为此在操作系统中必须配置相应的进程同步机制。
5）结构性。每个进程都配置一个PCB对其进行描述。从结构上看，进程实体是由程序段、数据段和进程控制块三部分组成的。

2.1.2 进程的状态与转换

进程在其生命周期内，由于系统中各进程之间的相互制约关系及系统的运行环境的变化，使得进程的状态也在不断地发生变化（一个进程会经历若干不同状态）。通常进程有以下五种状态，前三种是进程的基本状态。
1）运行态。进程正在处理机上运行。在单处理机环境下，每个时刻最多只有一个进程处于运行态。
2）就绪态。进程获得了除处理机外的一切所需资源，一旦得到处理机，便可立即运行。系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列。
3）堵塞态，又称等待态。进程正在等待某一事情而暂停运行，如等待某资源可用（不包括处理机）或等待输入/输出完成。即使处理机空闲，该进程也不能运行。
4）创建态。进程正在被创建，尚未转到就绪态。创建进程通常需要多个步骤：首先申请一个空白的PCB，并向PCB中填写一些控制和管理进程的信息；然后由系统为该进程分配运行时所必须得资源；最后把该进程转入为就绪态。
5）结束态。进程正从系统中消失，可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。进程需要结束运行时，系统首先必须设置该进程为结束态，然后再进一步处理资源释放和回收等工作。

注意区别就绪态和等待态:就绪态是指进程仅缺少处理机，只要获得处理机资源就立即运行;而等待态是指进程需要其他资源（除了处理机）或等待某一事件。之所以把处理机和其他资源划分开，是因为在分时系统的时间片轮转机制中，每个进程分到的时间片是若干毫秒。也就是说，进程得到处理机的时间很短且非常频繁，进程在运行过程中实际上是频繁地转换到就绪态的;而其他资源（如外设）的使用和分配或某一事件的发生（如I/O操作的完成）对应的时间相对来说很长，进程转换到等待态的次数也相对较少。这样来看，就绪态和等待态是进程生命周期中两个完全不同的状态，显然需要加以区分。

2.1.3 进程的组成

进程是一个独立的运行单位，也是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。它由以下三朝
分组成，其中最核心的是进程控制块（PCB）。

1、进程控制块（PCB）
进程创建时，操作系统为它新建一个PCB,该结构之后常驻内存，任意时刻都可以存取，并在进程结束时删除。PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。

进程执行时，系统通过其PCB 了解进程的现行状态信息，以便操作系统对其进行控制和管理；进程结束时，系统收回其PCB,该进程随之消亡。

当操作系统欲调度某进程运行时，要从该进程的PCB中查出其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；进程在运行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步、通信或访问文件时，也需要访问PCB；当进程由于某种原因而暂停运行时，又需将其断点的处理机环境保存在PCB中。可见，在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，亦即系统唯有通过进程的PCB才能感知到该进程的存在。

1） 进程描述信息。进程标识符：标志各个进程，每个进程都有一个唯一的标识号。用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务。
2） 进程控制和管理信息。进程当前状态：描述进程的状态信息，作为处理机分配调度的依据。进程优先级：描述进程抢占处理机的优先级，优先级高的进程可优先获得处理机。
3） 资源分配清单，用于说明有关内存地址空间或虚拟地址空间的状况，所打开文件的列表和所使用的输入/输出设备信息。
4） 处理机相关信息，也称处理机的上下文，主要指处理机中各寄存器的值。当进程处于执行态时，处理机的许多信息都在寄存器中。当进程被切换时，处理机状态信息都必须保存在相应的PCB中，以便在该进程重新执行时，能从断点继续执行。

在一个系统中，通常存在着许多进程的PCB,有的处于就绪态，有的处于阻塞态，而且阻塞的原因各不相同。为了方便进程的调度和管理，需要将各进程的PCB用适当的方法组织起来。目前，常用的组织方式有链接方式和索引方式两种。链接方式将同一状态的PCB链接成一个队列， 不同状态对应不同的队列,也可把处于阻塞态的进程的PCB,根据其阻塞原因的不同，排成多个阻塞队列。索引方式将同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的PCB,不同状态对应不同的索引表，如就绪索引表和阻塞索引表等。

2、程序段
程序段就是能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段。注意，程序可被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序

3、数据段
一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果

2.1.4 进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。在操作系统中，一般把进程控制用的程序段称为原语，原语的特点是执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。

3、进程的堵塞与唤醒
正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、 新数据尚未到达或无新任务可做等，进程便通过调用阻塞原语（Block）,使自己由运行态变为塞态。可见，阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU）,才可能将其转为阻塞态。阻塞原语的执行过程如下：

执行关中断指令后，如果执行期间发生了外部中断信号，不处理，直到执行完开中断指令后，才会去处理发生的外部中断信号

2.1.5 进程的通信

进程通信是指进程之间的信息交换。PV操作是低级通信方式，高级通信方式是指以较高的
效率传输大量数据的通信方式。高级通信方法主要有以下三类。

1、共享存储
在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行写/读操作实现进程之间的信息交换，如图2.2所示。在对共享空间进行写/读操作时，需要使用同步互斥工具（如P操作、V操作），对共享空间的写/读进行控制。共享存储又分为两种：低级方式的共享是基于数据结构的共享；高级方式的共享则是基础存储区的共享。操作系统只负责通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具，而数据交换则由用户自己安排读/写指令完成。

注意，进程空间一般都是独立的，进程运行期间一般不能访问其他进程的空间，想让两个进程共享空间，必须通过特殊的系统调用实现，而进程内的线程是自然共享进程空间的。

简答理解就是，甲和乙中间有一个大布袋，甲和乙交换物品时通过大布袋进行的，甲把物品放在大布袋里，乙拿走。但乙不能直接到甲的手中拿东西，甲也不能直接到乙的手中拿东西。

2、消息传递
在消息传递系统中，进程间的数据交换以格式化的消息（Message）为单位。若通信的进程之间不存在可直接访问的共享空间，则必须利用操作系统提供的消息传递方法实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。这种方式隐藏了通信实现细节， 使通信过程对用户透明，简化了通信程序的设计，是当前应用最广泛的进程间通信机制。在微内核操作系统中，微内核与服务器之间的通信就采用了消息传递机制。由于该机制能很好地支持多处理机系统、分布式系统和计算机网络，因此也成为这些领域最主要的通信工具。

2）间接通信方式。发送进程把消息发送到某个中间实体，接收进程从中间实体取得消息。这种中间实体一般称为信箱。该通信方式广泛应用于计算机网络中。

简单理解就是，甲告诉乙某些事情，就要写信，然后通过邮差发送给乙。直接通信就是邮差把信直接送到乙手上；间接通信就是乙家门口有一个邮箱，邮差把信放到邮箱里。

3、管道通信

管道也就是内存中的一块空间，逻辑是一个循环队列，遵循FIFO，而共享存储的高级方式也是一块内存空间，但是这个空间没有限制，比较自由，进程P想写在这个空间的哪个地方就哪个地方。

2.1.6 线程和多线程模型

1、线程的基本概念
引入进程的目的是更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量；而引入线程的目的则是减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能。

现成最直接的理解就是“轻量级进程”，它是一个基本的CPU执行单位，也是程序执行流的最小单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。现成也有就绪、阻塞和运行三种基本状态。

引入线程后，进程的内涵发生了改变，进程只作为除CPU外的系统资源的分配单元，而线程则作为处理机的分配单元。由于一个进程内部有多个线程，若线程的切换发生在同一个进程内部，则只需要很少的时空开销。下面从几个方面对线程和进程进行比较。

2、线程与进程的比较
1）调度。在传统的操作系统中，拥有资源和独立调度的基本单位都是进程，每次调度都要进行上下文切换，开销较大。在引入线程的操作系统中，线程是独立调度的基本单位， 而线程切换的代价远低于进程。在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换。但从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。

2） 并发性。在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，甚至不同进程中的线程也能并发执行，从而使操作系统具有更好的并发性，提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量。

3） 拥有资源。进程是系统中拥有资源的基本单位，而线程不拥有系统资源（仅有一点必不可少、能保证独立运行的资源），但线程可以访问其隶属进程的系统资源，这主要表现在属于同一进程的所有线程都具有相同的地址空间。要知道，若线程也是拥有资源的单位,则切换线程就需要较大的时空开销，线程这个概念的提出就没有意义。

4） 独立性。每个进程都拥有独立的地址空间和资源，除了共享全局变量，不允许其他进程访问。某进程中的线程对其他进程不可见。同一进程中的不同线程是为了提高并发性及进行相互之间的合作而创建的，它们共享进程的地址空间和资源。

5） 系统开销。在创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收进程控制块PCB及其他资源,如内存空间、I/O设备等。操作系统为此所付出的开销，明显大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进程切换时涉及进程上下文的切换，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。此外，由于同一进程内的多个线程共享进程的地址空间，因此这些线程之间的同步与通信非常容易实现，甚至无须操作系统的干预。

6） 支持多处理机系统。对于传统单线程进程，不管有多少处理机，进程只能运行在一个处理机上。对于多线程进程，可以将进程中的多个线程分配到多个处理机上执行。

3、线程的属性
多线程操作系统中的进程已不再是一个基本的执行实体，但它仍具有与执行相关的状态。所谓进程处于“执行”状态，实际上是指该进程中的某线程正在执行。线程的主要属性如下：
1）线程是一个轻型实体，它不拥有系统资源，但每个线程都应有一个唯一的标识符和一个线程控制块，线程控制块记录了线程执行的寄存器和栈等现场状态。
2）不同的线程可以执行相同的程序，即同一个服务程序被不同的用户调用时，操作系统把它们创建成不同的线程。
3）同一进程中的各个线程共享该进程所拥有的资源。
4）线程是处理机的独立调度单位，多个线程是可以并发执行的。在单CPU的计算机系统中， 各线程可交替地占用CPU；在多CPU的计算机系统中，各线程可同时占用不同的CPU,若各个CPU同时为一个进程内的各线程服务，则可缩短进程的处理时间。
5） 一个线程被创建后，便开始了它的生命周期，直至终止。线程在生命周期内会经历阻塞态、就绪态和运行态等各种状态变化。

为什么线程的提出有利于提高系统并发性？可以这样来理解：由于有了线程，线程切换时， 有可能会发生进程切换，也有可能不发生进程切换，平均而言每次切换所需的开销就变小了，因此能够让更多的线程参与并发，而不会影响到响应时间等问题。

4、线程的状态与转换
与进程一样，各线程之间也存在共享资源和相互合作的制约关系，致使线程在运行时也具有间断性。相应地，线程在运行时也具有下面三种基本状态。

• 执行状态：线程己获得处理机而正在运行。
• 就绪状态：线程已具备各种执行条件，只需再获得CPU便可立即执行。
• 阻寒状态：线程在执行中因某事件受阻而处于暂停状态。
• 线程这三种基本状态之间的转换和进程基本状态之间的转换是一样的。

5、线程的组织与控制

(1) 线程控制块
与进程类似，系统也为每个线程配置一个线程控制块TCB,用于记录控制和管理线程的信息。 线程控制块通常包括：①线程标识符；②一组寄存器，包括程序计数器、状态寄存器和通用寄存器；③线程运行状态，用于描述线程正处于何种状态；④优先级；⑤线程专有存储区，线程切换时用于保存现场等；⑥堆栈指针，用于过程调用时保存局部变量及返回地址等。

同一进程中的所有线程都完全共享进程的地址空间和全局变量。各个线程都可以访问进程地址空间的每个单元，所以一个线程可以读、写或甚至清除另一个线程的堆栈。

(2) 线程的创建
线程也是具有生命期的，它由创建而产生，由调度而执行，由终止而消亡。相应地，在操作系统中就有用于创建线程和终止线程的函数(或系统调用)。

用户程序启动时，通常仅有一个称为“初始化线程”的线程正在执行，其主要功能是用于创建新线程。在创建新线程时，需要利用一个线程创建函数，并提供相应的参数，如指向线程主程序的入口指针、堆栈的大小、线程优先级等。线程创建函数执行完后，将返回一个线程标识符。

(3) 线程的终止
当一个线程完成自己的任务后，或线程在运行中出现异常而要被强制终止时，由终止线程调用相应的函数执行终止操作。但是有些线程(主要是系统线程)一旦被建立，便一直运行而不会被终止。通常，线程被终止后并不立即释放它所占有的资源，只有当进程中的其他线程执行了分离函数后，被终止线程才与资源分离，此时的资源才能被其他线程利用。

被终止但尚未释放资源的线程仍可被其他线程调用，以使被终止线程重新恢复运行。

6、线程的实现方式

线程的实现可以分为两类：用户级线程(User-LevelThread, ULT)和内核级线程(Kernel-Level Thread, KLT)。内核级线程又称内核支持的线程。

(1)用户级线程(ULT)
在用户级线程中，有关线程管理(创建、撤销和切换等)的所有工作都由应用程序在用户空间中完成，内核意识不到线程的存在。应用程序可以通过使用线程库设计成多线程程序。通常， 应用程序从单线程开始，在该线程中开始运行，在其运行的任何时刻，可以通过调用线程库中的派生例程创建一个在相同进程中运行的新线程。图2.5(a)说明了用户级线程的实现方式。

对于设置了用户级线程的系统，其调度仍是以进程为单位进行的，各个进程轮流执行了一个时间片。假设进程A包含1个用户级线程，进程B包含100个用户级线程，这样，进程A中线程的运行时间将是进程B各线程运行时间的100倍，因此对线程来说实质上是不公平的。

这种实现方式的优点如下：（1）线程切换不需要转换到内核空间，节省了模式切换的开销。（2）调度算法可以是进程专用的，不同的进程可根据自身的需要，对自己的线程选择不同的调度算法。（3）用户级线程的实现与操作系统平台无关，对线程管理的代码是属于用户程序的一部分。

这种实现方式的缺点如下：（1）系统调用的堵塞问题，当线程执行一个系统调用时，不仅该线程被堵塞，而且线程内的所有线程都被堵塞。（2）不能发挥多处理机的优势，内核每次分配给一个进程仅有一个CPU，因此进程中仅有一个线程能执行。

（2）内核级线程（KLT）
在操作系统中，无论是系统进程还是用户进程，都是在操作系统内核的支持下运行的，与内核紧密相关。内核级线程同样也是在内核的支持下运行的，线程管理的所有工作也是在内核空间内实现的。内核空间也为每个内核级线程设置一个线程控制块，内核根据该控制块感知某线程的存在，并对其加以控制。图2.5(b)说明了内核级线程的实现方式。

这种实现方式的优点如下：①能发挥多处理机的优势，内核能同时调度同一进程中的多个线程并行执行。②如果进程中的一个线程被阻塞，内核可以调度该进程中的其他线程占用处理机， 也可运行其他进程中的线程。③内核支持线程具有很小的数据结构和堆栈，线程切换比较快、开销小。④内核本身也可采用多线程技术，可以提高系统的执行速度和效率。

这种实现方式的缺点如下：同一进程中的线程切换，需要从用户态转到核心态行，系统开销较大。这是因为用户进程的线程在用户态运行，而线程调度和管理是在内核实现的。

（3）组合方式
有些系统使用组合方式的多线程实现。在组合实现方式中，内核支持多个内核级线程的建立、调度和管理，同时允许用户程序建立、调度和管理用户级线程。一些内核级线程对应多个用户级线程，这是用户级线程通过时分多路复用内核级线程实现的。同一进程中的多个线程可以同时在多处理机上并行执行，且在阻塞一个线程时不需要将整个进程阻塞，所以组合方式能结合KLT和ULT的优点，并且克服各自的不足。图2.5(c)展示了这种组合实现方式。

在线程实现方式的介绍中，提到了通过线程库来创建和管理线程。线程库（thread library）是为程序员提供创建和管理线程的API。实现线程库主要的方法有如下两种：
①在用户空间中提供一个没有内核支持的库。这种摩的所有代码和数据结构都位于用户空间中。这意味着，调用库内的一个函数只导致用户空间中的一个本地函数的调用。
②实现由操作系统直接支持的内核级的一个库。对于这种情况，库内的代码和数据结构位于内核空间。调用库中的一个API函数通常会导致对内核的系统调用。

目前使用的三种主要线程库是POSIX Pthreads、Windows API、Java。Pthreads作为POSIX标准的扩展，可以提供用户级或内核级的库。Windows API是用于Windows系统的内核级线程库。Java线程API允许线程在Java程序中直接创建和管理。由于JVM实例通常运行在宿主操作系统之上，Java线程API通常采用宿主系统的线程库来实现，因此在Windows系统重Java线程通常采用Windows API来实现，在类UNIX系统重采用Pthreads来实现。

7、多线程模型

2.1.7 本节小结

1）为什么要引入进程？
在多道程序同时运行的背景下，进程之间需要共享系统资源，因此会导致各程序在执行过程中相互制约的关系，程序的执行会表现出间断性的特征。这些特征都是在程序的执行过程中发生的，是动态的过程，而传统的程序本身是一组指令的集合，是一个静态的概念，无法描述程序在内存中的执行情况，即我们无法从程序的字面上看出它何时执行、何时停顿，也无法看出它与其他执行程序的关系，因此，程序这个静态概念已不能如实反映程序并发执行过程的特征。为了深刻描述程序动态执行过程的性质乃至更好地支持和管理多道程序的并发执行，人们引入了进程的概念。

2）什么是进程？进程由什么组成？
进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码本身，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。
一个进程实体由程序段、相关数据段和PCB三部分构成，其中PCB是标志一个进程存在的唯一标识，程序段是进程运行的程序的代码，数据段则存储程序运行过程中相关的一些数据。

3）进程是如何解决问题的？
进程把能够识别程序运行态的一些变量存放在PCB中，通过这些变量系统能够更好地了解进程的状况，并在适当时进行进程的切换，以避免一些资源的浪费，甚至划分为更小的调度单位一线程来提高系统的并发度。

本节主要介绍什么是进程，并围绕这个问题进行一些阐述和讨论，为下一节讨论的内容做铺垫，但之前未学过相关课程的读者可能会比较费解，到现在为止对进程这个概念还未形成比较清晰的认识。接下来，我们再用一个比较熟悉的概念来类比进程，以便大家能彻底理解本节的内容到底在讲什么，到底解决了什么问题。

2.1.8 本节试题精选

34、在支持多线程的系统中，进程P创建的若干线程不能共享的是（）
A 进程P的代码段
B 进程P中打开的文件
C 进程P的全局变量
D 进程P中某线程的栈指针

39、两个合作进程（Cooperating Processes）无法利用（）交换数据
A 文件系统
B 共享内存
C 高级语言程序设计中的全局变量
D 消息传递系统

31、D
在同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换。当从一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，才会引起进程的切换，因此选项A、B、C错误。

34、D
进程中的线程共享进程内的全部资源，但进程中某线程的栈指针对其他线程是透明的，不能与其他线程共享。

35、C
整个系统只有一个键盘，而且键盘输入是人的操作，速度比较慢，完全可以使用一个线程来处理整个系统的键盘输入。

39、C
不同的进程拥有不同的代码段和数据段，全局变量是对同一进程而言的，在不同的进程中是不同的变量，没有任何联系，所以不能用于交换数据。管道是一种文件（虚拟文件）。

43、A
A中进程时间片用完，可降低其优先级以让其他进程被调度进入执行状态。选项B中进程刚完成I/O,进入就绪队列等待被处理机调度，为了让其尽快处理I/O结果，因此应提高优先级。选项C中进程长期处于就绪队列，为不至于产生饥饿现象，也应适当提高优先级。选项D中进程的优先级不应该在此时降低，而应在时间片用完后再降低。

46、A
进程之间的通信方式主要有管道、消息传递、共享内存、文件映射和套接字等。数据库不能直接作为进程之间的通信方式。

48、A
进程申请读磁盘操作时，因为要等待I/O操作完成，会把自身阻塞，此时进程变为阻塞态；I/O操作完成后，进程得到了想要的资源，会从阻塞态转换到就绪态（这是操作系统的行为）。而降低进程优先级、分配用户内存空间和增加进程的时间片大小都不一定会发生，选择选项A。

52、C

54、B

2.2 处理机调度

2.2.1 调度的概念

1、调度的基本概念
在多道程序系统中，进程的数量往往多于处理机的个数，因此进程争用处理机的情况在所难免。处理机调度是对处理机进行分配，即从就绪队列中按照一定的算法（公平、高效的原则）选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程并发地执行。

处理机调度是多道程序操作系统的基础，是操作系统设计的核心问题。

2、调度的层次

（1）高级调度（作业调度）
按照一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个），给它（们）分配内存、输入/输出设备等必要的资源，并建立相应的进程，以使它（们）获得竞争处理机的权利。简言之,作业调度就是内存与辅存之间的调度。每个作业只调入一次、调出一次。

多道批处理系统中大多配有作业调度，而其他系统中通常不需要配置作业调度。

（2）中级调度（内存调度）
引入中级调度的目的是提高内存利用率和系统吞吐量。为此，将那些暂时不能运行的进程调至外存等待，此时进程的状态称为挂起态。当它们已具备运行条件且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的那些已具有运行条件的就绪进程在重新调入内存，并修改其状态为就绪态，挂在就绪队列上等待。中级调度实际上是存储器管理中的对换功能。

（3）低级调度（进程调度）
按照某种算法从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。进程调度是最基本的一种调度，在各种操作系统中都必须配置这级调度。进程调度的频率很高，一般十几毫秒一次。

3、三级调度的联系
作业调度从外存的后备队列中选择一批作业进入内存，为它们建立进程，这些进程被送入就绪队列，进程调度从就绪队列中选择一个进程，并把其状态改为运行态，把CPU分配给它。中级调度是为了提高内存的利用率，系统将那些暂时不能运行的进程挂起来。
1） 作业调度为进程活动做准备，进程调度使进程正常活动起来。
2） 中级调度将暂时不能运行的进程挂起，中级调度处于作业调度和进程调度之间。
3） 作业调度次数少，中级调度次数略多，进程调度频率最高。
4） 进程调度是最基本的，不可或缺。

2.2.2 调度的实现

1） 排队器。将系统中的所有就绪进程按照一定的策略排成一个或多个队列，以便于调度程序选择。每当有一个进程转变为就绪态时，排队器便将它插入到相应的就绪队列中。

2） 分派器。依据调度程序所选的进程，将其从就绪队列中取出，将CPU分配给新进程。

3） 上下文切换器。在对处理机进彳亍切换时，会发生两对上下文的切换操作：第一对，将当前进程的上下文保存到其PCB中，再装入分派程序的上下文，以便分派程序运行；第二对，移出分派程序的上下文，将新选进程的CPU现场信息装入处理机的各个相应寄存器。

在上下文切换时，需要执行大量load和store指令，以保存寄存器的内容，因此会花费较多时间。现在已有硬件实现的方法来减少上下文切换时间。通常采用两组寄存器，其中一组供内核使用，一组供用户使用。这样，上下文切换时，只需改变指针，让其指向当前寄存器组即可。

2、调度的时机、切换与过程
调度程序是操作系统内核程序。请求调度的事件发生后，才可能运行调度程序，调度了新的就绪进程后，才会进行进程切换。理论上这三件事情应该顺序执行，但在实际的操作系统内核程序运行中，若某时刻发生了引起进程调度的因素，则不一定能马上进行调度与切换。

现代操作系统中，不能进行进程的调度与切换的情况有以下几种：
1） 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，在实现上很难做到进程切换，而且中断处理是系统工作的一部分，逻辑上不属于某一进程，不应被剥夺处理机资源。
2） 进程在操作系统内核临界区中。进入临界区后，需要独占式地访问，理论上必须加锁， 以防止其他并行进程进入，在解锁前不应切换到其他进程，以加快临界区的释放。
3） 其他需要完全屏蔽中断的原子操作过程中。如加锁、解锁、中断现场保护、恢复等原子操作。在原子过程中，连中断都要屏蔽，更不应该进行进程调度与切换。

若在上述过程中发生了引起调度的条件，则不能马上进行调度和切换，应置系统的请求调度标志，直到上述过程结束后才进行相应的调度与切换。

应该进行进程调度与切换的情况如下：
1） 发生引起调度条件且当前进程无法继续运行下去时，可以马上进行调度与切换。若操作系统只在这种情况下进行进程调度，则是非剥夺调度。
2） 中断处理结束或自陷处理结束后，返回被中断进程的用户态程序执行现场前，若置上请求调度标志，即可马上进行进程调度与切换。若操作系统支持这种情况下的运行调度程序，则实现了剥夺方式的调度。

进程切换往往在调度完成后立刻发生，它要求保存原进程当前断点的现场信息，恢复被调度进程的现场信息。现场切换时，操作系统内核将原进程的现场信息推入当前进程的内核堆栈来保存它们，并更新堆栈指针。内核完成从新进程的内核栈中装入新进程的现场信息、更新当前运行进程空间指针、重设PC寄存器等相关工作之后，开始运行新的进程。

3、进程的调度方式
所谓进程调度方式，是指当某个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要处理，即有优先权更高的进程进入就绪队列，此时应如何分配处理机。

通常有以下两种进程调度方式：
1）非抢占调度方式，又称非剥夺方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，即使有某个更为重要或紧迫的进程进入就绪队列，仍然让正在执行的进程继续执行，直到该进程运行完成或发生某种事件而进入阻塞态时，才把处理机分配给其他进程。
非抢占调度方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统，但它不能用于分时系统和大多数的实时系统。

2）抢占调度方式，又称剥夺方式。是指当一个进程正在处理机上执行时，若有某个更为重要或紧迫的进程需要使用处理机，则允许调度程序根据某种原则去暂停正在执行的进程， 将处理机分配给这个更为重要或紧迫的进程。
抢占调度方式对提高系统吞吐率和响应效率都有明显的好处。但“抢占”不是一种任意性行为，必须遵循一定的原则，主要有优先权、短进程优先和时间片原则等。

4、闲逛进程
在进程切换时，如果系统中没有就绪进程，就会调度闲逛进程（idle）运行，如果没有其他进程就绪，该进程就一直运行，并在执行过程中测试中断。闲逛进程的优先级最低，没有就绪进程时才会运行闲逛进程，只要有进程就绪，就会立即让出处理机。
闲逛进程不需要CPU之外的资源，它不会被阻塞。

5、两种线程的调度

2.2.3 调度的目标

不同的调度算法具有不同的特性，在选择调度算法时，必须考虑算法的特性。为了比较处理机调度算法的性能，人们提出了很多评价标准，下面介绍其中主要的几种：

2）系统吞吐量。表示单位时间内CPU完成作业的数量。长作业需要消耗较长的处理机时间,因此会降低系统的吞吐量。而对于短作业，需要消耗的处理机时间较短，因此能提高系统的吞吐量。调度算法和方式的不同，也会对系统的吞吐量产生较大的影响。

两个人上厕所的全部时间都是11分钟（周转时间是11分钟），其中一个人等待10分钟，上1分钟；另一个人等待1分钟上10分钟，对于用户来说体验肯定是不一样的

4） 等待时间。指进程处于等处理机的时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。处理机调度算法实际上并不影响作业执行或输入/输出操作的时间，只影响作业在就绪队列中等待所花的时间。因此，衡量一个调度算法的优劣，常常只需简单地考察等待时间。

5） 响应时间。指从用户提交请求到系统首次产生响应所用的时间.在交互式系统中，周转时间不是最好的评价准则，一般采用响应时间作为衡量调度算法的重要准则之一。从用户角度来看，调度策略应尽量降低响应时间，使响应时间处在用户能接受的范围之内。

要想得到一个满足所有用户和系统要求的算法几乎是不可能的。设计调度程序，一方面要满足特定系统用户的要求（如某些实时和交互进程的快速响应要求），另一方面要考虑系统整体效率（如减少整个系统的进程平均周转时间），同时还要考虑调度算法的开销。

2.2.4 典型的调度算法

先来先服务（FCFS）调度算法

FCFS调度算法是一种最简单的调度算法，它既可用于作业调度，又可用于进程调度。在作业调度中，算法每次从后备作业队列中选择最先进入该队列的一个或几个作业，将它们调入内存,分配必要的资源，创建进程并放入就绪队列。

在进程调度中，FCFS调度算法每次从就绪队列中选择最先进入该队列的进程，将处理机分配给它，使之投入运行，直到运行完成或因某种原因而阻塞时才释放处理机。

FCFS调度算法属于不可剥夺算法。从表面上看，它对所有作业都是公平的，但是若一个长作业先到达系统，就会使后面的许多短作业等待很长时间，因此它不能作为分时系统和实时系统的主要策略。但它常被结合在其他调度策略中使用。例如，在使用优先级作为调度策略的系统中，往往对多个具有相同优先级的进程按FCFS原则处理。

FCFS调度算法的特点是算法简单，但效率低；对长作业比较有利，但对短作业不利（相对SJF和高响应比）；有利于CPU繁忙型作业，而不利于I/O繁忙行作业。

短作业优先（SJF）调度算法

短作业（进程）优先调度算法是指对短作业（进程）优先调度的算法。短作业优先（SJF）调度算法从后备队列中选择一个或若干估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行；短进程优先（SPF）调度算法从就绪队列中选择一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，使之立即执行，直到完成或发生某事件而阻塞时，才释放处理机。

SJF调度算法也存在不容忽视的缺点：
1）该算法对长作业不利，由表2.2和表2.3可知，SJF调度算法中长作业的周转时间会增加。更严重的是，若有一长作业进入系统的后备队列，由于调度程序总是优先调度那些（即使是后进来的）短作业，将导致长作业长期不被调度（“饥饿”现象，注意区分“死锁”,后者是系统环形等待，前者是调度策略问题）。
2） 该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业会被及时处理。
3） 由于作业的长短是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。

注意，SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少。

高响应比优先调度算法

时间片轮转调度算法

时间片轮转调度算法主要适用于分时系统。在这种算法中，系统将所有就绪进程按FCFS策略排成一个就绪队列，调度程序总是选择就绪队列中的第一个进程执行，但仅能运行一个时间片， 如50ms。在使用完一个时间片后，即使进程并未运行完成，它也必须释放出（被剥夺）处理机给下一个就绪进程，而被剥夺的进程返回到就绪队列的末尾重新排队，等候再次运行。

在时间片轮转调度算法中，时间片的大小对系统性能的影响很大。若时间片足够大，以至于所有进程都能在一个时间片内执行完毕，则时间片轮转调度算法就退化为先来先服务调度算法？若时间片很小，则处理机将在进程间过于频繁地切换，使处理机的开销增大，而真正用于运行用户进程的时间将减少。因此，时间片的大小应选择适当，时间片的长短通常由以下因素确定：系统的响应时间、就绪队列中的进程数目和系统的处理能力。







时间片过大，会退化为先来先服务算法；时间片过小，要频繁调度，增加系统开销；

优先级调度算法

优先级调度算法既可用于作业调度，又可用于进程调度。该算法中的优先级用于描述作业的紧迫程度。在作业调度中，优先级调度算法每次从后备作业队列中选择优先级最高的一个或几个作业，将它们调入内存，分配必要的资源，创建进程并放入就绪队列。在进程调度中，优先级调度算法每次从就绪队列中选择优先级最高的进程，将处理机分配给它，使之投入运行。

根据新的更高优先级进程能否抢占正在执行的进程，可将该调度算法分为如下两种：
1）非抢占式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，即使有某个优先级更高的进程进入就绪队列，仍让正在运行的进程继续运行，直到由于其自身的原因而让出处理机时（任务完成或等待事件），才把处理机分配给就绪队列中优先级最高的进程。
2）抢占式优先级调度算法。当一个进程正在处理机上运行时，若有某个优先级更高的进程进入就绪队列，则立即暂停正在运行的进程，将处理机分配给优先级更高的进程。

而根据进程创建后其优先级是否可以改变，可以将进程优先级分为以下两种：
1） 静态优先级。优先级是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。确定静态优先级的主要依据有进程类型、进程对资源的要求、用户要求。
2） 动态优先级。在进程运行过程中，根据进程情况的变化动态调整优先级。动态调整优先级的主要依据有进程占有CPU时间的长短、就绪进程等待CPU时间的长短。

一般来说，进程优先级的设置可以参照以下原则：
1） 系统进程〉用户进程。系统进程作为系统的管理者，理应拥有更高的优先级。
2） 交互型进程〉非交互型进程（或前台进程〉后台进程）。大家平时在使用手机时，在前台运行的正在和你交互的进程应该更快速地响应你，因此自然需要被优先处理。
3） I/O型进程〉计算型进程。所谓I/O型进程，是指那些会频繁使用I/O设备的进程，而计算型进程是那些频繁使用CPU的进程（很少使用I/O设备）。我们知道,1/0设备（如打印机）的处理速度要比CPU慢得多，因此若将I/O型进程的优先级设置得更高，就更有可能让I/O设备尽早开始工作，进而提升系统的整体效率。

多级反馈队列调度算法（融合了前几种算法的优点）

多级反馈队列调度算法的实现思想如下：
1）设置多个就绪队列，并为每个队列赋予不同的优先级。第1级队列的优先级最高，第2级队列的优先级次之，其余队列的优先级逐个降低。
2）赋予各个队列的进程运行时间片的大小各不相同。在优先级越高的队列中，每个进程的时间片就越小。例如，第/ + 1级队列的时间片要比第，•级队列的时间片长1倍。
3） 每个队列都采用FCFS算法。当新进程进入内存后，首先将它放入第1级队列的末尾，按FCFS原则等待调度。当轮到该进程执行时，如它能在该时间片内完成，便可撤离系统。 若它在一个时间片结束时尚未完成，调度程序将其转入第2级队列的末尾等待调度；若它在第2级队列中运行一个时间片后仍未完成，再将它放入第3级队列……，以此类推。 当进程最后被降到第n级队列后，在第n级队列中便采用时间片轮转方式运行。
4） 按队列优先级调度。仅当第1级队列为空时，才调度第2级队列中的进程运行：仅当第1〜i-1级队列均为空时，才会调度第i级队列中的进程运行。若处理机正在执行第i级队列中的某进程时，又有新进程进入任何一个优先级较高的队列，此时须立即把正在运行的进程放回到第i级队列的末尾，而把处理机分配给新到的高优先级进程。

多级反馈队列的优势有以下几点：
1） 终端型作业用户：短作业优先。
2） 短批处理作业用户：周转时间较短。
3） 长批处理作业用户：经过前面几个队列得到部分执行，不会长期得不到处理。

多级队列调度算法

前述的各种调度算法，由于系统中仅设置一个进程的就绪队列，即调度算法是固定且单一的,无法满足系统中不同用户对进程调度策略的不同要求。在多处理机系统中，这种单一调度策略实现机制的缺点更为突出，多级队列调度算法能在一定程度上弥补这一缺点。

该算法在系统中设置多个就绪队列，将不同性质的进程固定分配到不同的就绪队列。每个队列可实施不同的调度算法，因此，系统针对不同用户进程的需求，很容易提供多种调度策略。同一队列中的进程可以设置不同的优先级，不同的队列本身也可以设置不同的优先级。在多处理机系统中，可以很方便为每个处理机设置一个单独的就绪队列，每个处理机可实施各自不同的调度策略，这样就能根据用户需求将多个线程分配到一个活多个处理机上运行。

2.2.5 进程的切换

对于通常的进程而言，其创建、撤销及要求由系统设备完成的I/O操作，都是利用系统调用而进入内核，再由内核中的相应处理程序予以完成的。进程切换同样是在内核的支持下实现的， 因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关。

（1）上下文切换
切换CPU到另一个进程需要保存当前进程状态并恢复另一个进程的状态，这个任务称为上下文切换。上下文是指某一时刻CPU寄存器和程序计数器的内容。进行上下文切换时，内核会将旧进程状态保存在其PCB中，然后加载经调度而要执行的新进程的上下文。

上下文切换实质上是指处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，在这个过程中，进程的运行环境产生了实质性的变化。上下文的流程如下：
1） 挂起一个进程，保存CPU上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2） 更新PCB信息。
3） 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
4） 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
5） 跳转到新进程PCB中的程序计数器所指向的位置执行。
6） 恢复处理机上下文。

（2）上下支切换的消耗
上下文切换通常是计算密集型的，即它需要相当可观的CPU时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间，所以上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间。有些处理器提供多个寄存器组，这样，上下文切换就只需要简单改变当前寄存器组的指针。

（3）上下文切换与模式切换
模式切换与上下文切换是不同的，模式切换时，CPU逻辑上可能还在执行同一进程。用户进程最开始都运行在用户态，若进程因中断或异常进入核心态运行，执行完后又回到用户态刚被中断的进程运行。用户态和内核态之间的切换称为模式切换，而不是上下文切换，因为没有改变当前的进程。上下文切换只能发生在内核态，它是多任务操作系统中的一个必需的特性。

注意：调度和切换的区别。调度是指决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为；切换是指实际分配的行为，是执行行为。一般来说，先有资源的调度，然后才有进程的切换。

2.2.6 本节小结

本节开头提出的问题的参考答案如下。
1）为什么要进程处理机调度？
若没有处理机调度，意味着要等到当前运行的进程执行完毕后，下一个进程才能执行，而实际情况中，进程时常需要等待一个外部设备的输入，而外部设备的速度与处理机相比是非常缓慢的，若让处理机总是等待外部设备，则对处理机的资源是极大的浪费。而引进处理机调度后，可在运行进程等待外部设备时，把处理机调度给其他进程，从而提高处理机的利用率。用一句简单的话说，就是为了合理地处理计算机的软/硬件资源。

2）调度算法有哪几种？结合第1章学习的分时操作系统和实时操作系统，思考有没有哪种调度算法比较适合这两种操作系统。
本节介绍的调度算法有先来先服务调度算法、短作业优先调度算法、优先级调度算法、高响应比优先调度算法、时间片轮转调度算法、多级反馈队列调度算法6种。

先来先服务算法和短作业优先算法无法保证及时地接收和处理问题，因此无法保证在规定的时间间隔内响应每个用户的需求，也同样无法达到实时操作系统的及时性需求。优先级调度算法按照任务的优先级进行调度，对于更紧急的任务给予更高的优先级，适合实时操作系统。

高响应比优先调度算法、时间片轮转调度算法、多级反馈队列调度算法都能保证每个任务在一定时间内分配到时间片，并轮流占用CPU,适合分时操作系统。

本节主要介绍了处理机调度的概念。操作系统主要管理处理机、内存、文件、设备几种资源,只要对资源的请求大于资源本身的数量，就会涉及调度。例如，在单处理机系统中，处理机只有一个，而请求服务的进程却有多个，所以就有处理机调度的概念出现。而出现调度的概念后，又有了一个问题，即如何调度、应该满足谁、应该让谁等待，这是调度算法所回答的问题；而应该满足谁、应该让谁等待，要遵循一定的准则，即调度的准则。调度这一概念贯穿于操作系统的始终，读者在接下来的学习中，将接触到几种资源的调度问题和相应的调度算法。将它们与处理机调度的内容相对比，将会发现它们有异曲同工之妙。

2.2.7 本节试题精选

注意一下三、四两个选项，需要学完机组来理解。

8、B

18、D


19、D

22、B

27、A

31、D

2.3 同步与互斥

2.3.1 同步与互斥的基本概念

在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系。为了协调进程之间的相互制约关系，引入了进程同步的概念。下面举一个简单的例子来帮大家理解这个概念。例如，让系统计算1+2x3,假设系统产生两个进程：一个是加法进程，一个是乘法进程。要让计算结果是正确的，一定要让加法进程发生在乘法进程之后，但实际上操作系统具有异步性,若不加以制约，加法进程发生在乘法进程之前是绝对有可能的，因此要制定一定的机制去约束加法进程，让它在乘法进程完成之后才发生，而这种机制就是本节要讨论的内容。

1、临界资源
虽然多个进程可以共享系统中的各种资源，但其中许多资源只能为一个进程所用，我们将一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如打印机等。此外，还有许多变量、数据等都可以被若干进程共享，也属于临界资源。

2、同步
同步亦称直接制约关系，是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系源于它们之间的相互合作。

例如，输入进程A通过单缓冲向进程B提供数据。当该缓冲区空时，进程B不能获得所需数据而堵塞，一旦进程A将数据送入缓冲区，进程B就被唤醒。反之，当缓冲区满时，进程A被阻塞，仅当进程B取走缓冲数据时，才唤醒进程A。

3、互斥
互斥也称间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一进程才允许去访问此临界资源。

2.3.2 实现临界区互斥的基本方法

进程互斥的软件实现方法

在进入区设置并检查一些标志来标明是否有进程在临界区中，若已有进程在临界区，则在进入区通过循环检查进行等待，进程离开临界区后则在退出区修改标志。

单标志法

双标志先检查法

双标志后检查法

Peterson 算法

进程互斥的硬件实现方法

理解本节介绍的硬件实现，对学习后面的信号量很有帮助。计算机提供了特殊的硬件指令，允许对一个字中的内容进行检测和修正，或对两个字的内容进行交换等。通过硬件支持实现临界段问题的方法称为低级方法，或称元方法。

中断屏蔽方法

TestAndSet指令

TestAndSet指令：这条指令是原子操作，即执行该代码时不允许被中断。其功能是读出指定标志后把该标志设置为真。指令的功能描述如下：

Swap指令

Swap指令：该指令的功能是交换两个字(字节)的内容。其功能描述如下：

硬件方法的优点：适用于任意数目的进程，而不管是单处理机还是多处理机；简单、容易验证其正确性。可以支持进程内有多个临界区，只需为每个临界区设立一个布尔变量。

硬件方法的缺点：进程等待进入临界区时要耗费处理机时间，不能实现让权等待。从等待进程中随机选择一个进入临界区，有的进程可能一直选不上，从而导致"饥饿”现象。

无论是软件实现方法还是硬件实现方法，读者只需理解它的执行过程即可，关键是软件实现方法。实际练习和考试中很少让读者写出某种软件和硬件实现方法，因此读者并不需要默写或记忆。以上的代码实现与我们平时在编译器上写的代码意义不同，以上的代码实现是为了表述进程实现同步和互斥的过程，并不是说计算机内部实现同步互斥的就是这些代码。

2.3.3 互斥锁

2.3.4 信号量

信号量机制是一种功能较强的机制，可用来解决互斥与同步问题，它只能被两个标准的原语wait(S)和signal(S)访问，也可记为“P操作”和“V操作”。

原语是指完成某种功能且不被分割、不被中断执行的操作序列，通常可由硬件来实现。例如,前述的Test-and-Set和Swap指令就是由硬件实现的原子操作。原语功能的不被中断执行特性在单处理机上可由软件通过屏蔽中断方法实现。原语之所以不能被中断执行，是因为原语对变量的操作过程若被打断，可能会去运行另一个对同一变量的操作过程，从而出现临界段问题。

整型信号量

记录型信号量

wait操作，S.value-表示进程请求一个该类资源，当S.value <0时，表示该类资源已分配完毕，因此进程应调用block原语，进行自我阻塞，放弃处理机，并插入该类资源的等待队列S.L,可见该机制遵循了 “让权等待”的准则。

signal操作，表示进程释放一个资源,使系统中可供分配的该类资源数增1,因此有S.value ++。若加1后仍是S.value<=0,则表示在S.L中仍有等待该资源的进程被阻塞，因此还应调用wakeup原语，将S.L中的第一个等待进程唤醒。

用信号量机制实现进程互斥、同步、前驱关系

信号量机制实现进程互斥

信号量机制实现进程同步

2.3.5 经典同步问题

生产者消费者问题

问题描述：一组生产者进程和一组消费者进程共享一个初始为空、大小为n的缓冲区，只有缓冲区没满时，生产者才能把消息放入缓冲区，否则必须等待；只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出消息，否则必须等待。由于缓冲区时临界资源，它只允许一个生产者放入消息，或一个消费者从中取出消息。

当有一个缓冲区中有一个区域是空闲时，如果缓冲区不是互斥的，两个生产者进程并发的访问这个空闲的区域，很有可能会导致一个生产者的数据覆盖了另一个生产者的数据，而对于消费者进程来说，原来要获取的是第一个生产者的进程的数据，如果不是互斥的，可能会获取到覆盖了的生产者的数据，获取错误

多生产者多消费问题

吸烟者问题

读者写者问题

哲学家就餐问题

此外，还可采用AND型信号量机智来解决哲学家进餐问题，有兴趣的读者可以查阅相关资料，自行思考。

熟悉ACM或有过相关训练的读者都应知道贪心算法，哲学家进餐问题的思想其实与贪心算法的思想截然相反，贪心算法强调争取眼前认为最好的，而不考虑后续会有什么后果。若哲学家进餐问题用贪心算法来解决，即使只要眼前有筷子能拿起就拿起的话，就会出现死锁。然而，若不仅考虑眼前的一步，即不因为有筷子能拿起就拿起，而考虑能不能一次拿起两根筷子才做决定的话，就会避免死锁问题，这就是哲学家进餐问题的思维精髓。

2.3.6 管程

在信号量机制中，每个要访问临界资源的进程都必须自备同步的PV操作，大量分散的同步操作给系统管理带来了麻烦，且容易因同步操作不当而导致系统死锁。于是，便产生了一种新的进程同步工具一一管程。管程的特性保证了进程互斥，无须程序员自己实现互斥，从而降低了死锁发生的可能性。同时管程提供了条件变量，可以让程序员灵活地实现进程同步。

1、管程的定义
系统中的各种硬件资源和软件资源，均可用数据结构抽象地描述其资源特性，即用少量信息和对资源所执行的操作来表征该资源，而忽略它们的内部结构和实现细节。

利用共享数据结构抽象地表示系统中的共享资源，而把对该数据结构实施的操作定义为一组过程。进程对共享资源的申请、释放等操作，都通过这组过程来实现，这组过程还可以根据资源情况，或接受或阻塞进程的访问，确保每次仅有一个进程使用共享资源，这样就可以统一管理对共享资源的所有访问，实现进程互斥。这个代表共享资源的数据结构，以及由对该共享数据结构实施操作的一组过程所组成的资源管理程序，称为管程(monitor)。管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行(在该数据结构上)的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

2、条件变量
当一个进程进入管程后被阻塞，直到阻塞的原因解除时，在此期间，如果该进程不释放管程，那么其他进程无法进入管程。为此，将阻塞原因定义为条件变量condition。通常，一个进程被阻塞的原因可以有多个，因此在管程中设置了多个条件变量。每个条件变量保存了一个等待队列，用于记录因该条件变量而阻塞的所有进程，对条件变量只能进行两种操作，即wait和signal。

2.3.7 本节小结

1）为什么要引入进程同步的概念？
在多道程序共同执行的条件下，进程与进程是并发执行的，不同进城之间存在不同的相互制约关系。为来协调进程之间的相互制约关系，7引入来进程同步的概念。

2）不同进程之间会存在什么关系？
进程之间存在同步与互斥的制约关系。
同步是指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。
互斥是指当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一进程才允许去访问次临界资源。

3）当单纯用本节介绍的方法解决这些问题时会遇到什么新的问题么？
当两个或两个以上的进程在执行过程中，因占用一些资源而又需要对方的资源时，会因为争夺资源而造成一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都无法推进下去。这种现象称为死锁，具体介绍和解决方案请参考下一节。