操作系统原理，多道程序设计，并发环境与并发任务，进程定义，进程控制块PCB，PCB维护的进程数据

一、多道程序设计：
1、允许多个程序同时进入内存运行，目的是为了提高系统效率。
2、每个程序有自己的程序计时器，物理上只有一个计时器，每个程序在占用CPU时，会将自己的计时器里的内容推送到物理计时器中，通过这种操作，使得多个应用程序可以同时在内存中执行。
3、宏观上：多个应用程序在并发进行
4、微观上：单个CPU任然在串行处理任务。

二、并发环境：
1、一段时间间隔内，单个处理器上有两个或两个以上的程序同时处于开始运行但尚未结束的状态并且次序不是事先确定的。
2、并发环境下执行的程序就是并发程序。

三、进程process的定义：
进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的独立单位，又叫任务。

注意：
1、进程是程序的一次执行，
2、是正在运行的程序的抽象，
3、是对CPU的抽象，可以将一个物理CPU变换为多个虚拟的CPU
4、系统资源以进程为单位分配，如内存，文件，每个进程拥有独立的地址空间
5、操作系统将物理CPU调度给需要的进程，就是将CPU的控制权交给该进程

四、进程控制块PCB：
1、PCB，process control block，又称进程描述符，进程属性。
2、操作系统用于管理进程的一个专门的数据结构，记录进程的各种属性，描述进程的动态变化过程。
3、CPB是操作系统感知进程才能在的唯一标志，进程与PCB是一一对应的。
4、所有进程的PCB集合就是进程表，进程表的大小是固定，其最大值就是操作系统的并发度。

五、PCB维护的进程数据：
1、通用信息
a、进程标识符PID，唯一，整数
b、进程名，通常基于可执行文件名，不唯一
c、用户标识符uid
d、进程组关系，父进程，兄弟进程等关系

2、进程控制信息：
a、当前状态
b、优先级priority
c、代码执行入口地址
d、保存的磁盘地址
e、运行统计信息（执行事件，页面调度）
f、进程间同步和通信
g、进程的队列指针
h、进程的消息队列指针

3、进程拥有的资源和使用情况：
a、虚拟地址空间的状况
b、打开的文件描述符

4、CPU现场信息，进程不运行时保存在PCB中的进程硬件信息：
a、寄存器值（通用寄存器，程序计数器PC，程序状态字PSW，栈指针）
b、指向该进程页表的指针

采用多道程序设计可以提高处理器的利用率。多道程序设计技术充分发挥了处理器与外围设备以及外围设备之间的并行工作能力,从而提高处理器和其他各种资源的利用率。下面从程序的顺序执行、程序的执行环境和程序的并发执行几方面介绍多道程序设计模型。

一、程序的顺序执行

程序是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列,这些操作是机器指令或高级语言编写的语句。人们习惯的传统程序设计方法是顺序程序设计,计算机也是以顺序方式工作的:处理器一次执行一条指令,对内存一次访问一个字节或字,对处部设备一次传送一个数据块。顺序处理也是人们习惯的思考方法,为了解决一个复杂的问题,人们把它分解成一些较为简单、易于分析的小问题,然后逐个解决。也可以把一个复杂的程序划分为若干个程序段,然后按照某种次序逐个执行这些程序段。

我们把一个具有独立功能的程序独占处理器直到得到最终结果的过程称为程序的顺序执行。程序的顺序执行具有如下特点。

1.顺序性

程序所规定的动作在机器上严格地按顺序执行。每个动作的执行都以前一个动作的结束为前提条件,即程序和机器执行它的活动严格一一对应。

2.封闭性

程序运行后,其计算结果只取决于程序自身,程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定,不受外界因素的影响。程序所使用的资源(包括处理器、内存、文件等)是专有的,这些资源的状态(除了初始状态外)只有程序本身的动作才能改变。

3.程序执行结果的确定性

也称为程序执行结果与时间无关性。程序执行的结果与它的执行速度无关,即处理器在执行程序时,任意两个动作之间的停顿对程序的计算结果都不会产生影响。

4.程序执行结果的可再现性

如果程序在不同的时间执行,只要输入的初始条件相同,则无论何时重复执行该程序都会得到相同的结果。

程序的顺序性和封闭性是一切顺序程序所应具有的特性,从这两个特性出发,不难引出程序执行时所具有的另外两个特性。顺序程序与时间无关的特性,可使程序的编制者不必去关心不属于他控制的那些细节(如操作系统的调度算法和外部设备操作的精确时间等);顺序程序执行结果的可再现性,则对程序检测和校正程序的错误带来了方便。

二、程序的并发执行

所谓程序并发执行,是指两个或两个以上程序在计算机系统中,同时处于已开始执行且尚未结束的状态。能够参与并发执行的程序称为并发程序。程序的并发执行,可以充分利用系统的资源,提高计算机的处理能力。但是,程序的并发执行产生了一些和程序顺序执行时不同的特性。程序的并发执行有如下特征。

1.在执行期间并发程序相互制约

资源的共享和竞争存在于多道程序的并发执行中,从而制约了各道程序的执行速度。由于本来并无逻辑关系的程序之间产生了相互制约的关系,而各个程序活动的工作状态与所处环境有密切关系,使并发程序的执行出现了“执行——暂停——执行”的活动现象。

2.程序与计算不再一一对应

在并发执行中,允许多个用户进程调用一个共享程序段,从而形成了多个“计算”。如在分时系统中,一个编译程序往往同时为几个用户提供编译服务,该编译程序便对应了几个“计算”。

3.并发程序的执行结果不可再现

并发程序执行结果与其执行的相对速度以及并发执行的多道程序之间的相互关系有关,导致并发程序的执行结果不可再现,即执行结果是不确定的。

4.程序的并行执行与程序的并发执行

多道程序的并发执行是指它们在宏观上,即在某一段时间周期内是同时进行的(这个时间周期,比处理器的指令处理周期要长得多,但是从操作人员的感觉来看,仍然时一个瞬间)。但从微观上看,除了多处理器系统外,在单处理器系统中,这些程序仍然是顺序执行的。

程序的并行执行与程序的并发执行,这两者存在着差别。前者是指不论从宏观的时间周期上看,还是从微观上看,若干程序确实在同时运行;而程序的并发执行,如果在单处理器系统中,它们在宏观上是同时进行的,但在微观上,这些程序仍然是顺序执行的。