4.3 进程控制

4.3.1 进程控制的概念

进程控制的职责是对系统中的全部进程实施有效的管理，它是处理机管理功能一部分，当系统允许多进程并发执行时，为了实现共享、协调并发进程的关系，处理机管理就必须提供对进程实行有效控制的功能。操作系统的核心具有创建、撤消进程和实施进程间同步、通信等功能。这些功能是由一些具有特定功能的程序段组成的，而且是通过执行各种原语操作来实现各种控制和管理功能的。原语是一种特殊的系统调用命令，它可以完成一个特定的功能，一般为外层软件所调用，其特点是原语执行时不可中断，所以原语操作具有原子性，它是不可再分的。在操作系统中原语作为一个基本单位出现。

用于进程控制的原语有：创建原语、撤消原语、阻塞原语、唤醒原语等。

对于用户来说，在多进程环境中，它具有一个主进程和可能出现的同时活动的附属进程。为了完成用户程序的任务，用户必须控制这些进程的活动。操作系统应能提供控制功能，用户则通过服务请求方式获得这些功能。

4.3.2 进程创建

进程管理的基本功能之一是创建各种新的进程，这些新进程是一个与现有进程不同的实体。在系统生成时，要创建一些必需的、承担系统资源分配和管理工作的系统进程。对于用户作业，每当调作业进入系统时，由操作系统的作业调度进程为它创建相应的进程。在层次结构的系统中，允许一个进程创建一些附属进程，以完成一些可以并行的工作。创建者称为父进程，被创建者称为子进程，创建父进程的进程笔名为祖父进程，这样就构成了一个进程家族。但用户为能直接创建进程，右办能通过系统请求方式向操作系统申请创建进程。

无论是系统或是用记创建时程都必须调用创建原语来实现。创建原语的主要功能是创建一个指定标识符的进程。主要任务是形成该进程的进程控制 pcb 。所以，调用者必须提供形成 pcb 的有关参数，以便在创建时填入。这些参数是：进程标识符、进程优先级、本进程开始地址等。其他资源从父进程那里继承。如在 UNIX 系统中，父进程创建一个子进程时，该子进程继承父进程占用的系统资源，以及除进程标识符外的其他特性，较详细的介绍见第十章。

创建原语的形式为

create(name,priority,start-addr)

其中， name 为被创建进程的标识符， priority 为进程优先级， start-addr 为某程序的开始地址。创建原语的实现过程见 MODULE4.5 。在程序中，“从 pcb 资源池申请一个空闲的 pcb 结构”这一条语句要稍加说明。 pcb 资源池就是 pcb 集合，如图 4.10 所示。它是在系统存储区开辟的一片区域，用来存放所有的进程控制块。创建原语的形式化描述见 MODULE4.5 。

MODULE4.5 进程创建

该集合的大小为 n × (pcb-size) 。其中， pcb-size 为 pcb 结构的大小， n 为系统具有的 pcb 个数。该 pcb-size 的始址和 n 值由系统生成时确定。系统初始时，每个 pcb 结构中进程标识符单元内都存入“ -1 ”，表示该 pcb 结构为空。当创建原语执行成功后，该项内容为新创建时程的标识符。

4.3.3 进程撤消

一个进程由进程创原语创建，当它完成了其任务之后就希望终止自己。这时，应使用时程撤消原语，其命令形式为 kill( 或 exit) 。该命令没有参数，其执行结果也无返回信徙。它的功能是将当前运行进程（因为是自我撤消）的 pcb 结构归还到 pcb 资源池，所占用的资源归还给父进程，从总链队列中摘除它，然后转进程调度程序。因为调用者自己已被撤消，所以应由进程调度再选一个进程去运行。进程撤消原语算法描述见 MODULE4.6 。

MODULE4.6 进程撤消

4.3.4 进程等待

有了创建原语和撤消原语，虽在进程可以从无到有、从存在到消亡而变化，但还不能完成进程各种状态的过渡。例如，由“运行过渡到“等待”，由“等待”转变为“就绪”，需要通过进程之间的同步或通信机构来实现，但也可直接使用等待原语和唤醒原语来实现。下面先讨论等待原语（或称挂起命令）。

当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用等待原语把自己挂起。而一旦被挂起，它只能由另一个进程唤醒。进程等待命令形式为

susp(chan)

入口参数 chan ：进程等待的原因

等待命令的功能是：停止调用进程的执行，将 CPU 现场保留到该进程的 pcb 现场保护区；然后，改变其状态为“等待”，并加入到等待 chan 的等待队列；最后使控制转向进程调度，以选择下一个进程。进程等待（挂起）原语的描述见 MODULE4.7 。

MODULE4.7 进程等待（挂起）

4.3.5 进程唤醒

进程由“运行”转变为“等待”状态是由于进程必须等待某一事件的发生，所以处于等待状态的进程是绝对不可能叫醒自己的。比如，若某进程正在等待 I/O 操作完成或等待别的进程发消息给它，则只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒原语叫醒它。一般说来，发现者进程和被唤醒进程是合作的并发进程。唤醒原语的命令形式为

wakeup(chan)

唤醒原语的功能是：当进程等待的事件发生是时，唤醒等待该事件的所有进程。进程唤醒原语的算法描述见 MODULE4.8 。

MODULE.8 进程唤醒

唤醒原语的最后一步可以转进程调度，也可返回现行进程。这要由系统设计者决定。接常理，当发现者进程唤醒了一个等待某事件的进程后，控制仍应返回现行程序。但有的系统，为了造成更多的调度机会，一般在实施进程控制功能后转进程调度，以便让调度程序有机会去选择一个合适的进程来运行。

4.3.6 进程延迟

（一）通用延迟过程

当某进程需要延迟一段时间再执行时，它发出 delay 命令，由操作系统的延迟过程完成此功能。进程延迟过程的算法描述见 MODULE4.9 。其功能是：将需要延迟的进程的 pcb 结构按其延迟时间加紧入到延迟队列中的适当位置上。首行保护调用者的 CPU 现场，再计算请求延迟的进程所需延迟的时间，这一时间是进程所需要延迟的少数乘以时钟速率而得到的，即 clock-ticks(clock-ticks=secs × (clock-rate)), 然后以 clock-ticks 数值为依据检索延迟队列，把这个延迟进程插入到延迟队列的合适位置中。

MODULE4.9 进程延迟

延迟队列结构如图 4.11 所示。为了实现延迟功能，在 pcb 中增加了一个 deltatime 项，其内容为进程所需延迟的 clock-ticks 总数与延迟队列中前一个进程的 clock-ticks 总数之差。假定进程 A 、进程 B 和进程 C 所需延迟的 clock-ticks 总数分别为 2 ， 5 和 10 ，则在 pcb a 、 pcb b 和 pcb c 的 deltatime 这一项中的内容分别为 2 ， 3 和 3 ，即延迟队列按延迟时间上各顺序排列。

假定有一个进程需延迟的 clock-ticks=8 ，它应插入图 4.12 所示的队列的什么位置呢？首先应将 clock-ticks 值送入要延迟进程 pcb 的 deltatime 项中（记为 deltatime mew ），然后以此值与延迟队列中的每一个进程的 deltatime （记为 deltatime pcb i ）相关减得 time ，即 time=deltatime nwe -deltatime pcb i 。若此差值为正，则以这个差值作为要延迟进程的 deltatime 项的新值，继续比较。当差值为负值时，表示已找到了合适的位置，应将要延迟进程的 pcb 插入到相比较的这个进程的前面，而后者的 deltatime 值应为二者相减的差值（取正值），至此，这一工作就完成了。图 4.12 说明了这一查找过程。

(b)pcb new 与 pcb a 比较后

(b)pcb new 与 pcb b 比较后

图 4.12 一个延迟进程插入延迟队列中

（二）延迟唤醒进程

当某一进程延迟时间到时，由延迟唤醒进程把它唤醒。延迟唤醒进程是一个系统进程，它在系统初始化时被创建，之后它连续地执行直到系统关闭。该时程是由时钟中断激活的，当时钟中断来到时，它取延迟队列首元素，将其 deltatime 值减 1 ，并判断是否为零。若为零，则将该进程移入就绪队列，然后中断返回，等下一次时钟中断的到来。若不为零，则该进程也返回，再等待下一次时钟中断的到来。