并发——现代操作系统最重要的特征之一

进程——操作系统最重要的抽象概念之一

并发基于进程

一、并发概述

并发：两个或多个事件在同一时间间隔内发生

并发类型

二、程序的顺序执行

1. 顺序执行的定义

顺序执行：若干程序或程序段之间必须严格按照某种先后顺序来执行

顺序执行示例

• 程序的顺序执行

  • 

• 语句的顺序执行

  • 

2. 程序顺序执行时的特征

• 顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行。

• 封闭性：程序运行时独占全机资源，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。

• 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，都将获得相同的结果。

3. 前趋图

• 有向无环图

• 节点：程序段、进程、语句

• 有向边：表示结点之间的前趋关系

三、程序的并发执行

1. 并发执行的定义

并发执行：两个或两个以上的程序或程序段在同一时间间隔内同时执行，即这些程序的执行时间客观上是重叠的，一个程序的执行尚未结束，另一个程序的执行已经开始。

并发执行示例

例子：有两个并发执行的进程P1和P2，共享初值为1的变量x。P1对x加1，P2对x减1。加1和减1操作的指令序列分别如下所示，试问两个操作完成后，x的值是多少?

; 加1操作
load R1,x ; 取x到寄存器R1中
inc R1
store x,R1 ; 将R1到内容存入x

; 减1操作
load R2,x ; 取x到寄存器R2中
dec R2
store x,R2 ; 将R2的内容存入x

答案

可能为0、1或2

2. 程序并发执行时的特征

• 间断性：由于资源共享和相互合作，程序呈现“执行-暂停-执行”现象。

• 失去封闭性：程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的资源，因此这些资源的状态将由多个程序来改变。

• 不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，多次重复执行可得到不同的结果。

3. 进程概念

引入进程的目的

为了控制多道程序能够正确地并发执行，引入进程。

典型的进程定义

• 一个正在执行的程序。

• 一个正在计算机上执行的程序实例。

• 一个能够被调度到处理器上执行的实体。

• 由一串指令的执行、当前状态和一组正在使用的系统资源表征的活动单元。

进程的表征与组成

进程执行的任意时刻，可以由下列元素(可看作进程控制块的抽象)来表征。

进程由程序代码、程序代码相关的数据及对应的进程控制块组成。

父子进程

系统中同时存在的诸进程相互独立，也相互关联。

例如，当进程创建另一进程后，父子进程就以某种形式继续保持关联。

• UNIX中，初始化进程是其他所有进程的始祖，与其子女后裔构成一个进程组。

• Windows中，没有进程层次的概念，进程地位相等。(父进程可以获得子进程句柄)

进程的特征

• 动态性：最基本的特征

  • 一个正在计算机上执行的程序实例，存在生命周期。

• 并发性：重要特性

  • 多个进程实体同存于内存中，能在一段时间内同时运行。

• 独立性

  • 进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源与独立调度的基本单位。各进程的地址空间相互独立，除非采用进程间通信手段。

• 异步性

  • 各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进

进程与程序比较

• 进程是程序的执行过程，是一个动态的概念；程序是一组指令的有序集合，是一个静态的概念

• 进程=进程控制块+程序段+数据段+栈

• 引入进程的目的是使多道程序能够正确地并发执行

• 进程具有生命周期，程序是永久的

• 进程与程序之间不存在一一对应关系

  • 通过多次执行，一个程序可以对应多个进程。
  • 通过调用关系，一个进程也可能对应多个程序。

引入进程后带来的挑战

• 空间开销(space overhead)

  • 为进程建立数据结构

• 时间开销(time overhead)

  • 管理和协调、跟踪、填写和更新有关数据结构、切换进程、保护现场

• 控制复杂性(complexity of control)

  • 协调多个进程对资源的竞争和共享
  • 预防、解决多个进程因为竞争资源而出现的故障