进程管理顺序执行和并发执行

Posted 2021-01-06 596014054-yangdongsheng

一、引言

在传统的操作系统中，程序并不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位都是进程。操作系统所具有的四大特征也都是基于进程而形成的，并可从进程的观点来研究操作系统。显然，在操作系统中，进程是一个极其重要的概念。

二、程序的顺序执行及其特征

顺序执行：通常可以把一个应用程序分成若干个程序段，在各程序段之间，必须按照某种先后次序顺序执行，仅当前一操作(程序段)执行完后，才能执行后继操作。

2. 1 程序顺序执行时的特征

(1) 顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序执行，即每一操作必须在上一个操作结束之后开始。

(2) 封闭性：程序是在封闭的环境下执行的，即程序运行时独占全机资源，资源的状态(除初始状态外)只有本程序才能改变它。程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。

(3) 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“停停走走”地执行，都将获得相同的结果。

     程序顺序执行时的特性，为程序员检测和校正程序的错误带来了很大的方便。

2.2 前趋图

    前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph)，用于描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的偏序(Partial Order，亦称偏序关系)或前趋关系(Precedence Relation)“→”。 →={(Pi，Pj)|Pi must complete before Pj may start}，如果(Pi，Pj)∈→，可写成Pi→Pj，称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继。在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。此外，每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间，前趋图中必须不存在循环。

三、程序的并发执行及其特征

   3.1  输入程序在输入第一个程序后，在计算程序对该程序进行计算的同时，可由输入程序再输入第二个程序，从而使第一个程序的计算操作可与第二个程序的输入操作并发执行。一般来说，输入程序在输入第i+1个程序时，计算程序可能正在对第i个程序进行计算，而打印程序正在打印第i-1 个程序的计算结果。例如，我们有一批作业需要批改，但是需要对一个作业的输入、计算和打印三个操作，必须顺序执行。下图表示出了输入、计算和打印这三个程序对一批作业进行处理的情况。

    在该例中存在下述前趋关系：Ii→Ci，Ii→Ii+1，Ci→Pi，Ci→Ci+1，Pi→Pi+1而 Ii+1和Ci及Pi-1是重迭的，亦即在Pi-1和Ci以及Ii+1 之间，可以并发执行。

 

 

    3.2 程序并发执行时的特性

         程序的并发执行，虽然提高了系统吞吐量，但也产生了下述一些与程序顺序执行时不同的特征。

1) 间断性

     程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间，形成了相互制约的关系。例如，图2-3 中的I、C和P是三个相互合作的程序，当计算程序完成Ci－1的计算后，如果输入程序I尚未完成Ii的处理，则计算程序就无法进行Ci的处理，致使计算程序必须暂停运行。又如，当打印程序完成Pi的打印后，若计算程序尚未完成Ci＋1的计算，则打印程序就无法对Ci＋1的计算结果进行打印。一旦使程序暂停的因素消失后(如Ii已处理完成)，计算程序便可恢复执行对Ci的处理。简而言之，相互制约将导致并发程序具有“执行—暂停—执行”这种间断性的活动规律。

2) 失去封闭性

     程序在并发执行时，是多个程序共享系统中的各种资源，因而这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行失去了封闭性。这样，某程序在执行时，必然会受到其它程序的影响。例如，当处理机这一资源已被某个程序占有时，另一程序必须等待。

3) 不可再现性

    程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致其再失去可再现性。例如，有两个循环程序A 和B，它们共享一个变量N。程序A 每执行一次时，都要做N:=N+1 操作；程序B每执行一次时，都要执行Print(N)操作，然后再将N 置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。这样，可能出现下述三种情况(假定某时刻变量N 的值为n)。

(1) N:=N+1 在Print(N)和N:=0之前，此时得到的N值分别为n+1，n+1，0。

(2) N:=N+1 在Print(N)和N:=0之后，此时得到的N值分别为n，0，1。

(3) N:=N+1 在Print(N)和N:=0之间，此时得到的N值分别为n，n+1，0。

    上述情况说明，程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果已与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性，亦即，程序经过多次执行后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。