【實驗目的】
1．理解行程的概念，明確行程和程式的區別
2．理解并發執行的實質。
3．掌握行程的創建、睡民、撤銷等行程控制方法。
1．行程的含義
行程是程式在一個資料集合上的運行程序，是系統資源分配和調度的一個獨立單位。一個程式在不同資料集合上運行，乃至一個程式在同樣資料集合上的多次運行都是不同的行程。
2．行程的狀態
通常，一個行程必須具有就緒、執行和阻塞3種基本狀態。
1）就緒狀態
當行程已分配到除處理器（CPU）以外的所有必要資源后，只要再獲得處理器就可以立即執行，這時行程的狀態稱為就緒狀態。在一個系統里，可以有多個行程同時處于就緒狀態通常把這些就緒行程排成一個或多個佇列，稱為就緒佇列。
2）執行狀態態
處于就緒狀態的行程一且獲得了處理器，就可以運行，行程狀態也就處于執行狀態。在單處理器系統中，只能有一個行程處于執行狀態，在多處理器系統中，則可能有多個行程處于執行狀態。
3）阻塞狀態
正在執行的行程因為發生某些事件（如請求輸入輸出、中請額外空間等）而暫停運行，這種受阻暫停的狀態稱為阻塞狀態，也可以稱為等待狀態。通常將處于阻塞狀態的行程排成一個佇列，稱為阻塞佇列。在有些系統中，也會按阻塞原因的不同將處于阻塞狀態的行程排成多個佇列。
除了行程的3種基本狀態外，在很多系統為了更好地描述行程的狀態變化，又增加了兩種狀態
1）新狀態
當一個新行程剛剛建立，還未將其放入就緒佇列的狀態，稱為新狀態。例如一個人剛開始接受教育，此時就可以稱其處于于新狀態。
2）終止狀態
當一個行程己經正常結東或例外結東，操作作系統已將其從系統佇列中移出，但尚未撤消，這時稱為終止狀態。
2.3.2行程控制塊
1．行程控制塊的作用
行程控制塊是構成行程物體的重要組成部分，是作業系統中最重要的記錄型資料，在行程控制塊PCB中記錄了作業系統所需要的、用于描述行程情況及控制行程運行所需要的全基本單位，一個能夠并發執行的行程。換句話說，在行程的整個生命周期中，作業系統都要通過行程的PCB來對并發執行的行程進行管理和控制，行程控制塊是系統對行程控制采用的資料結構，系統是根據行程的PCB而感知行程是否存在。所以，行程控制塊是行程存在的唯一標志。當系統創建一個新行程時，就要為它建立一個PCB：行程結束時，系統又回收其PCB，行程也隨之消亡
2．行程控制塊的內容
行程控制塊主要包括下述四個方面的資訊。
1）行程標識資訊
行程識別符號用于標識一個行程，通常有外部識別符號和內部識別符號兩種。
（1）外部識別符號。由行程創建者命名，通常是由字母、數字所組成的一個字串，在用戶（行程）訪問該行程時使用。外部識別符號都便于記憶，如計算行程、列印行程、發送行程、接接收行程等
（2）內部識別符號。是為方便系統使用而設定的，作業系統為每一個行程賦予唯一的一個整數，作為內部識別符號。它通常就是一個行程的序號。
2）說明資訊（行程調度資訊）
說明資訊是有關行程狀態等一些與行程調度有關的資訊，包括：
（1）行程狀態。指明行程當前的狀態，作為行程調度和對換時的依據。
（2）行程優先權。用于描述行程使用處理器的優先級別，通常是一個整數，優先權高的行程將可以優先獲得處理器
（3）行程調度所需的其他沒資訊。其內容與所采用的行程調度演算法有關，如行程等待時間、行程己執行時間等。
（4）阻塞事件。指行程由執行行狀態轉變為阻塞所等待發生的事件，即阻塞原因。
3）現場資訊（處理器狀態資訊）
現場資訊是用于保留行程存放在處理器中的各種資訊，主要由處理器中各種暫存器的內容組成。尤其是當執行中的行程暫停時，這些暫存器內的資訊將被保存在PCB里，當該中再次獲得執行時，能從上次停止的地方繼續執行。
（1）通用暫存器。其中的內容可以被用戶程式訪問，用于暫存資訊。
（2）指今計數器。存放要訪問的下一條指令的地址
（3）程式狀態字。保存當前處理器狀態的資訊，如執行方式、中斷屏蔽標志等。
（4）用戶堆疊指標。每個用戶行程都有一個或若干個與之相關的關系堆疊，用于存放程序和系統呼叫引數及呼叫地址，堆疊指標指向堆疊的堆疊頂。
4）管理資訊（行程控制資訊）
（1）程式和資料的地址。它是指該行程的程式和資料所在的主存和外存地址再次執行時，能夠找到程式和資料。
（2）行程同步和通信機制。它是指實作行程同步和行程通信時所采用的機制、指標、信號量等。
（3）資源清單。該清單中存放有除了CPU以外，行程所需的全部資源和已經分配到的資源。
（4）鏈接指標。它將指向該行程所在佇列的下一個行程的PCB的首地址
3．行程控制塊的組織方式
在一個系統中，通常擁有數十個、數百個乃至數千個PCB，為了能對它們進行有效的管理，就必須通過適當的方式將它們組織起來，日前常用的組織方式有鏈接方式和索引方式兩種。
1）鏈接方式
把具有相同狀態的PCB，用鏈接指標鏈接成佇列，如就緒佇列、阻塞佇列和空閑佇列等。就緒佇列中的PCB將按照相應的行程調度演算法進行排序。而阻塞佇列也可以根據阻塞原因的不同，將處于阻塞狀態的行程的PCB，排成等待I／O佇列、等待主存佇列等多個佇列。此外，系統主存的PCB區中空閑的空間將排成空閑佇列，以方便PCB的分配和回收。
2）索引方式
系統根據各個行程的狀態，建立不同索引表，例如就緒索引表、阻塞索引表等。并把各個索引表在主存的首地址記錄在主存中的專用單元里，也可以稱為表指標。在每個索引表的表目中，記錄著具有相同狀態的各個PCB在表中的地址。
4．行程控制原語
原語是指具有特定功能的不可被中斷的程序。它主要用于實作作業系統的一些專門控制操作。用于行程控制的原語有：
1）創建原語。用于為一個行程分配作業區和PCB，并初始化PCB，行程處于就緒態。
2）撤銷原語。用于一個行程完成后，識訓它的作業區和PCB。
3）阻塞原語。用于行程在運行程序中發生等待時間時，將行程改為阻塞態。
4）喚醒原語。用于當行程等待的事件發生時，將行程改為就緒態。
2.3.3行程的創建與撤消
1．行程的創建
一旦作業系統發現了要求創建行程的事件后，便呼叫行程創建原按下列步驟創建一個新行程。
①為新行程分配惟一的行程識別符號，并從PCB佇列中申請一個空閑PCB。
②為新行程的程式和資料，以及用戶栽分配相應的主存空間及其他必要分配資源。
③初始化PCB中的相應資訊，如標識資訊、處理器倌息、行程控制倌息等
④如果就緒佇列可以接納新行程，便將新行程加入到就緒佇列中、
2．行程的撤銷
一旦作業系統發現了要求終止行程的事件后，便呼叫行程終止原語按下列步驟終止指定的行程。
①根據被終止行程的識別符號，從PCB集合中檢索該行程的PCB，讀出行程狀態。
②若該行程處于執行狀態，則立即終止該行程的執行。
③若該行程有子孫行程，還要將其子孫行程終止。
④將該行程所占用的資源回收，歸還給其父行程或作業系統。
⑤將被終止行程的PCB從所在佇列中移出，并撇銷該行程的PCB
2.3.4行程的阻塞與喚醒
1．行程的阻塞
一旦作業系統發現了要求阻塞行程的事件后，便呼叫行程阻塞原語，按下列步驟阻塞指定的行程。
①立即停止執行該行程。
②修改行程控制塊中的相關資訊。把行程控制塊中的運行狀態由“執行”狀態改為“阻
塞”狀態，并填入等待的原因，以及行程的各種狀態資訊。
③把行程控制塊插入到阻塞佇列。根據阻塞佇列的組織方式插入阻塞佇列中。
④待調度程式重新調度，運行就緒佇列中的其他行程。
2．行程的喚醒
一且作業系統發現了要求喚醒行程的事件后，便呼叫行程喚醒原語，按下列步驟喚醒指定的行程。
①從阻塞佇列中找到該行程。
②修改該行程控制塊的相關內容。把阻塞狀態改為就緒狀態，洗掉等待原因等。
③把行程控制塊插入到就緒佇列中。
按照就緒佇列的組織方式，把被喚醒的行程的行程控制塊插入到就緒佇列中.2.3.2行程控制塊
1．行程控制塊的作用
行程控制塊是構成行程物體的重要組成部分，是作業系統中最重要的記錄型資料，在行程控制塊PCB中記錄了作業系統所需要的、用于描述行程情況及控制行程運行所需要的全基本單位，一個能夠并發執行的行程。換句話說，在行程的整個生命周期中，作業系統都要通過行程的PCB來對并發執行的行程進行管理和控制，行程控制塊是系統對行程控制采用的資料結構，系統是根據行程的PCB而感知行程是否存在。所以，行程控制塊是行程存在的唯一標志。當系統創建一個新行程時，就要為它建立一個PCB：行程結束時，系統又回收其PCB，行程也隨之消亡
2．行程控制塊的內容
行程控制塊主要包括下述四個方面的資訊。
1）行程標識資訊
行程識別符號用于標識一個行程，通常有外部識別符號和內部識別符號兩種。
（1）外部識別符號。由行程創建者命名，通常是由字母、數字所組成的一個字串，在用戶（行程）訪問該行程時使用。外部識別符號都便于記憶，如計算行程、列印行程、發送行程、接接收行程等
（2）內部識別符號。是為方便系統使用而設定的，作業系統為每一個行程賦予唯一的一個整數，作為內部識別符號。它通常就是一個行程的序號。
2）說明資訊（行程調度資訊）
說明資訊是有關行程狀態等一些與行程調度有關的資訊，包括：
（1）行程狀態。指明行程當前的狀態，作為行程調度和對換時的依據。
（2）行程優先權。用于描述行程使用處理器的優先級別，通常是一個整數，優先權高的行程將可以優先獲得處理器
（3）行程調度所需的其他沒資訊。其內容與所采用的行程調度演算法有關，如行程等待時間、行程己執行時間等。
（4）阻塞事件。指行程由執行行狀態轉變為阻塞所等待發生的事件，即阻塞原因。
3）現場資訊（處理器狀態資訊）
現場資訊是用于保留行程存放在處理器中的各種資訊，主要由處理器中各種暫存器的內容組成。尤其是當執行中的行程暫停時，這些暫存器內的資訊將被保存在PCB里，當該中再次獲得執行時，能從上次停止的地方繼續執行。
（1）通用暫存器。其中的內容可以被用戶程式訪問，用于暫存資訊。
（2）指今計數器。存放要訪問的下一條指令的地址
（3）程式狀態字。保存當前處理器狀態的資訊，如執行方式、中斷屏蔽標志等。
（4）用戶堆疊指標。每個用戶行程都有一個或若干個與之相關的關系堆疊，用于存放程序和系統呼叫引數及呼叫地址，堆疊指標指向堆疊的堆疊頂。
4）管理資訊（行程控制資訊）
（1）程式和資料的地址。它是指該行程的程式和資料所在的主存和外存地址再次執行時，能夠找到程式和資料。
（2）行程同步和通信機制。它是指實作行程同步和行程通信時所采用的機制、指標、信號量等。
（3）資源清單。該清單中存放有除了CPU以外，行程所需的全部資源和已經分配到的資源。
（4）鏈接指標。它將指向該行程所在佇列的下一個行程的PCB的首地址
3．行程控制塊的組織方式
在一個系統中，通常擁有數十個、數百個乃至數千個PCB，為了能對它們進行有效的管理，就必須通過適當的方式將它們組織起來，日前常用的組織方式有鏈接方式和索引方式兩種。
1）鏈接方式
把具有相同狀態的PCB，用鏈接指標鏈接成佇列，如就緒佇列、阻塞佇列和空閑佇列等。就緒佇列中的PCB將按照相應的行程調度演算法進行排序。而阻塞佇列也可以根據阻塞原因的不同，將處于阻塞狀態的行程的PCB，排成等待I／O佇列、等待主存佇列等多個佇列。此外，系統主存的PCB區中空閑的空間將排成空閑佇列，以方便PCB的分配和回收。
2）索引方式
系統根據各個行程的狀態，建立不同索引表，例如就緒索引表、阻塞索引表等。并把各個索引表在主存的首地址記錄在主存中的專用單元里，也可以稱為表指標。在每個索引表的表目中，記錄著具有相同狀態的各個PCB在表中的地址。
4．行程控制原語
原語是指具有特定功能的不可被中斷的程序。它主要用于實作作業系統的一些專門控制操作。用于行程控制的原語有：
1）創建原語。用于為一個行程分配作業區和PCB，并初始化PCB，行程處于就緒態。
2）撤銷原語。用于一個行程完成后，識訓它的作業區和PCB。
3）阻塞原語。用于行程在運行程序中發生等待時間時，將行程改為阻塞態。
4）喚醒原語。用于當行程等待的事件發生時，將行程改為就緒態。
2.3.3行程的創建與撤消
1．行程的創建
一旦作業系統發現了要求創建行程的事件后，便呼叫行程創建原按下列步驟創建一個新行程。
①為新行程分配惟一的行程識別符號，并從PCB佇列中申請一個空閑PCB。
②為新行程的程式和資料，以及用戶栽分配相應的主存空間及其他必要分配資源。
③初始化PCB中的相應資訊，如標識資訊、處理器倌息、行程控制倌息等
④如果就緒佇列可以接納新行程，便將新行程加入到就緒佇列中、
2．行程的撤銷
一旦作業系統發現了要求終止行程的事件后，便呼叫行程終止原語按下列步驟終止指定的行程。
①根據被終止行程的識別符號，從PCB集合中檢索該行程的PCB，讀出行程狀態。
②若該行程處于執行狀態，則立即終止該行程的執行。
③若該行程有子孫行程，還要將其子孫行程終止。
④將該行程所占用的資源回收，歸還給其父行程或作業系統。
⑤將被終止行程的PCB從所在佇列中移出，并撇銷該行程的PCB
2.3.4行程的阻塞與喚醒
1．行程的阻塞
一旦作業系統發現了要求阻塞行程的事件后，便呼叫行程阻塞原語，按下列步驟阻塞指定的行程。
①立即停止執行該行程。
②修改行程控制塊中的相關資訊。把行程控制塊中的運行狀態由“執行”狀態改為“阻
塞”狀態，并填入等待的原因，以及行程的各種狀態資訊。
③把行程控制塊插入到阻塞佇列。根據阻塞佇列的組織方式插入阻塞佇列中。
④待調度程式重新調度，運行就緒佇列中的其他行程。
2．行程的喚醒
一且作業系統發現了要求喚醒行程的事件后，便呼叫行程喚醒原語，按下列步驟喚醒指定的行程。
①從阻塞佇列中找到該行程
【實驗內容】
用C語言撰寫程式，模擬實作創建新的行程：查看運行行程；換出某個行程：殺死運行行程等功能。
【實驗步驟】
程式代碼
#include "stdio.h"
#include "conio.h"
#include "stdlib.h"
struct PCB_type
{ int pid;
int youxianji;
int daxiao;
char neirong[10];
int state; /* 0表示不在記憶體，1表示在記憶體，2表示掛起*/
};
struct PCB_type neicun[20];
int num=0,guaqi=0,bj,i,j,pid;/*定義相關引數變數*/
/*********************創建新行程*************************/
void create()
{
if(num>=20) /*判斷是否有存盤空間*/
printf("\n 記憶體已滿，請洗掉或掛起其他程式");
else{
for(i=0;i<20;i++)
if(neicun[i].state==0) break; /*按順序在記憶體中尋找創建新行程的空間*/
printf("\n請輸入新建行程的pid值\n");
scanf("%d",&neicun[i].pid);
for(j=0;j<i;j++) /*判斷是否之前已存盤相同pid行程*/
if(neicun[j].pid==neicun[i].pid)
{ printf("\n該行程已存在于記憶體中");
return;
}
printf("\n請輸入新行程的優先級 \n" );
scanf("%d",&neicun[i].youxianji);
printf("\n請輸入新行程的大小\n" );
scanf("%d",&neicun[i].daxiao);
printf("\n請輸入新行程的內容\n" );
scanf("%s",&neicun[i].neirong);
neicun[i].state=1; /*將行程狀態設為1，表示在記憶體中*/
num++;/*記憶體中行程數目加一*/
}
}
/********************查看當前運行行程**************************/
void run()
{ bj=0;
for(i=0;i<20;i++)
if(neicun[i].state==1) /*若行程狀態設為1，表示在記憶體中，輸出查看*/
{printf("\n pid=%d",neicun[i].pid);
printf(" youxianji=%d",neicun[i].youxianji);
printf(" daxiao=%d",neicun[i].daxiao);
printf(" neirong=%s",neicun[i].neirong);
bj=1;/*存在于記憶體中的行程標記為1 */
}
if(bj==0)
printf("\n當前沒有運行該行程\n" );/*標記為0，表示該行程未創建于記憶體中*/
}
/********************換出行程***************************/
void huanchu()
{if(num==0) /*num=0,表示記憶體中無行程*/
{ printf("\n當前沒有運行的行程\n" );
return;
}
printf("\n請輸入要換出的行程的pid值\n" );
scanf("%d",&pid);
bj=0;
for(i=0;i<20;i++)
{
if(pid==neicun[i].pid)
{ if(neicun[i].state==1)
{neicun[i].state=2; /*將該行程的狀態設為掛起*/
guaqi++;
printf("\n該行程已成功掛起換出\n" );
}
else if(neicun[i].state==0)
printf("\n要換出的行程不存在\n" );
else printf("\n要換出的行程已經被掛起\n" );
bj=1;break;
}
}
if(bj==0) printf("\n要換出的行程不存在\n" );
}
/********************殺死行程***************************/
void kill()
{
if(num==0)
{ printf("\n當前沒有運行的行程\n" );
return;
}
printf("\n請輸入要殺死的行程的pid值\n" );
scanf("%d",&pid);
bj=0;
for(i=0;i<20;i++)
{
if(pid==neicun[i].pid)
{ if(neicun[i].state==1)
{neicun[i].state=0; /*將該行程的狀態設為不在記憶體中*/
num--; /*記憶體中的行程數目減少一個*/
printf("\n該行程已成功殺死\n" );
}
else if(neicun[i].state==0)
printf("\n要殺死的行程不存在\n" );
else printf("\n要殺死的行程已經被掛起\n" );/*剩余狀態為2，掛起*/
bj=1;break;
}
}
if(bj==0) printf("\n要殺死的行程不存在\n" );
}
/********************喚醒行程***************************/
void huanxing()
{
if(num==0)
{ printf("當前沒有運行的行程\n");
return;
}
if(guaqi==0) /*guaqi=0,表示沒有掛起的行程*/
{ printf("\n當前沒有換出的行程\n");
return;
}
printf("\n請輸入要喚醒的行程的pid值:\n");
scanf("%d",&pid);
for(i=0;i<20;i++){
if(pid==neicun[i].pid)
{
if(neicun[i].state==2)
{neicun[i].state=1; /*將該行程的狀態設為掛起*/
guaqi--;
num++;
printf("\n該行程已成功喚醒\n" );
}
else if(neicun[i].state==0)
printf("\n要喚醒的行程不存在\n" );
else printf("\n要喚醒的行程已經在記憶體中\n" );
}
}
}
/********************主程式***************************/
void main()
{int xuhao,n=1,i;
for(i=0;i<20;i++)
neicun[i].state=0; /*使所有行程都初始設為不在記憶體中*/
while(n){
printf("\n**********************************************");
printf("\n* 行程演示系統 *");
printf("\n**********************************************");
printf("\n 1.創建新的行程 2.查看運行行程");
printf("\n 3.換出某個行程 4.殺死運行行程");
printf("\n 5.喚醒某個行程 6.退出程式 ");
printf("\n**********************************************");
printf("\n請選擇(1～6):");
scanf("%d",&xuhao);
switch(xuhao)
{
case 1: create( ); break;
case 2 :run(); break;
case 3 :huanchu();break;
case 4 :kill();break;
case 5 :huanxing();break;
case 6 :exit(0);
default: n=0;
break;
}
}
}
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