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。

02进程学习之并发，时钟中断，单道程序设计和多道程序设计的区别
1 并发的概念

并发：一个时间段内可以运行多个程序。注意并不是同一时刻运行，即不是并行。
2 时钟中断

时钟中断：发送指令使当前占用CPU的进程停止并记录时间，好让其它进程可以执行。

由于我们程序可以并发执行，所以每个程序都会争夺CPU，当我们需要切换另一个进程时，就是利用时钟中断来暂停它，记录本次时间等待其它进程执行完再回到被中断的那个时刻执行该进程。例如酷狗和微信的切换。
3 单道程序设计

单道程序设：“所有进程一个一个排对执行。若A阻塞，B只能等待，即使CPU处于空闲状态。所以已被淘汰。
4 多道程序设计

多道程序设计：内存中可以有多个进程轮流执行，不会阻塞，但需要硬件基础支撑。实际上就是并发的思想。
5 四者的区别

在不考虑单道程序设计下，多道程序设计是并发的实现，时钟中断是多道程序设计的前提。或者你可以理解为并发就是多道程序设计，毕竟这两个概念并不需要很严谨。

1.1多道程序设计
1.1.1程序的顺序执行

Ii表示第i个程序的输入；Pi表示第i个程序的计算处理；Oi表示第i个程序的打印输出
对于一个要解决的问题，往往需要按一定的顺序执行，典型的是输入，计算，然后进行打印输出。


顺序程序设计方式的一些特点
（1）简单，方便，容易理解；
（2）确定性：程序运行结果，不会受运行过程中出现的中断事件的影响；
（3）封闭性：运行程序独占整个计算机系统资源，除了初始状态以外，该程序所处的环境只有本身决定，只有程序本身才能改变系统资源状态和环境。
（4）可再行性：一个程序，只要初始输入条件相同，运行结果也必然相同。


缺点：计算机资源使用效率不高






1.1.2程序的并发执行
程序的并发执行：是指一个程序的执行还没有结束，另一个程序就已经开始了。
                            宏观上：在这段时间内，“同时”完成几个程序；
                            微观上：任何时刻就只有一个程序在运行。
并发性的两层含义：（1）内部顺序性，对于一个程序而言，他的所有指令都是按序执行的；
                                （2）外部并发性对于多个程序而言，他们是交叉运行的

1.1.3多道程序设计
单道程序设计：主存中每次只存在一个程序，该程序运行时独占整个计算机系统资源
多道程序设计：让多个程序同时进入一个计算机系统的主存储器并发执行


优点：充分发挥了计算机硬件的并发性，消除了处理器和外围设备相互等待的现象，大大提高了系统的效率。


1.1.4并发程序执行的条件
Bernstein条件：并发程序如果无关，则这些进程可以并发执行。
                     i个程序集合（1）读变量集合R（Pi）
                                         （2）写变量集合W（Pi）
                    如果（R（P1）并W（P2））
                        交（R（P2）并W（P1））
                        交（W（P1）并W（P2））= 空集
       

多道程序设计的出现解决了这个问题，就是把内存分为几个部分，每一个部分放不同的程序。当一个程序需要等待I/O操作完成时。那么CPU可以切换执行内存中的另外一个程序。如果内存中可以同时存放足够多的程序，那CPU的利用率可以接近100%。 

在这个时候，引入了第一个概念- 进程, 进程的本质是一个正在执行的程序，程序运行时系统会创建一个进程，并且给每个进程分配独立的内存地址空间保证每个进程地址不会相互干扰。同时，在CPU对进程做时间片的切换时，保证进程切换过程中仍然要从进程切换之前运行的位置出开始执行。所以进程通常还会包括程序计数器、堆栈指针。 



有了进程以后，可以让操作系统从宏观层面实现多应用并发。而并发的实现是通过CPU时间片不端切换执行的。对于单核CPU来说，在任意一个时刻只会有一个进程在被CPU调度