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操作系统教程主编第1章操作系统概述1.1操作系统的定义、作用和目标1.2操作系统的历史1.3操作系统的特征与功能1.4现代主要操作系统简介

1.1操作系统的定义、作用和目标1.1.1操作系统的定义

要想了解什么是操作系统，必须先了解计算机系统的组成和操作系统在整个计算机系统中的地位。

计算机系统包括计算机硬件系统和计算机软件系统。操作系统（OperatingSystem，简称OS）是系统软件中的一种，而且是系统软件的核心。操作系统定义

对计算机系统的软硬件资源进行全面统一的控制和管理，协调计算机系统的各种动作，并提供方便用户使用的用户界面的大型系统软件。

操作系统向用户提供各种服务功能，使得用户能够灵活、方便和有效地使用计算机，使整个计算机系统能高效地运行。图1计算机系统层次结构1.1.2操作系统的作用管理和控制系统资源管理硬件、软件资源合理组织工作流程保证程序安全性和共享性提供良好的用户界面命令接口GUI图形接口程序接口提供软件的开发与运行环境1.1.3操作系统的目标1．方便性直接使用命令或图形界面完成各种操作设计程序让计算机完成各种操作2．有效性

提高系统资源的利用率增加系统的吞吐量

3．可扩充性

在设计操作系统的体系结构时，要采用合理的结构使其能够不断地扩充和完善。4．开放性可移植性互操作性1.2操作系统的历史1.2.1推动操作系统发展的动力1．不断提高资源利用率的需要

在计算机发展的初期，计算机系统特别昂贵，人们必须千方百计地提高计算机系统中各种资源的利用率，这就推动了人们不断发展操作系统的功能，由此产生了批处理系统。它能自动地对一批作业进行处理。

2．方便用户操作

当资源利用率不高的问题得到解决以后，用户在上机操作、调试程序上的不方便就成为主要矛盾。于是，人们就想方设法改善用户的上机和调试程序的环境，随之便形成了允许人机交互的分时系统，或称为多用户系统。

随之交互界面又从单一的命令行方式进化到丰富多彩的GUI图形用户界面。

3．硬件的不断更新换代

由于计算机硬件的更新换代，使得计算机的性能不断提高，同时硬件成本的不断下降促使人们的购买力也在不断增强，这些因素都在很大程度上推动了操作系统的性能和功能的不断发展。4．计算机体系结构的发展

计算机由单处理器系统发展为多处理器系统时，操作系统也从单处理器操作系统发展为多处理器操作系统。随着计算机网络的出现和发展，出现了分布式操作系统和网络操作系统。随着信息家电的发展，又出现了嵌入式操作系统。1.2.2操作系统的发展1．无操作系统

（1）人工操作方式

时间：第一台计算机（1946年）～50年代中期工作方式：用户：用户既是程序员、操作员，还是计算机专业人员；编程语言：为机器语言；输入输出：纸带或卡片；特点：系统资源利用率低

（2）脱机输入输出方式

为了解决计算机主机与I/O设备之间速度不匹配矛盾，引入了脱机输入输出方式。

脱机输入输出方式是指程序和数据的输入输出是在外围机的控制下，而不是在主机的控制下完成的。图2脱机输入输出方式工作原理

脱机输入输出技术是指事先将装有用户程序和数据的纸带（或卡片）装入纸带（或卡片）输入机，在一台外围机的控制下把纸带（卡片）上的数据（程序）输入到磁盘（带）上。当计算机主机需要这些程序和数据时，再从磁盘（带）上高速地调入主存。类似地，当计算机主机需要输出时，可以由计算机主机直接高速地把数据从主存送到磁盘（带）上，然后再在另一台外围机的控制下，将磁盘（带）上的结果通过相应的输出设备输出。特点提高CPU执行效率

2．批处理系统

批处理技术是计算机系统对一批作业自动进行处理的一种技术。批处理系统分为单道批处理系统和多道批处理系统两种形式。（1）单道批处理系统时间：20世纪50年代应用机型IBM701计算机IBM1401、IBM7094工作流程1.用户将自己的作业编在纸带或卡片上，交给计算机管理员。2.管理员在收到一定数量的用户作业后，将纸带和卡片上的作业通过计算机读入，并写到磁带上。3.计算机操作员将这盘磁带加载到IBM7094上，逐个运行用户作业，运行的结果写在另一个磁带上。4.当所有作业运行结束后，将存有结果的磁带取下来，连接到IBM1401计算器上打印结果。5.最后，将打印结果交给各个用户。特点

1.自动性。磁盘（带）上的一批作业能自动地依次逐个执行，而无需人工干预。2.顺序性。磁盘（带）上的作业是顺序地进入主存的，先调入主存的作业先完成。3.单道性。只能有一个程序调入主存并运行。（2）多道批处理系统

在单道批处理系统中引入了多道程序设计技术，形成了多道批处理系统。时间：20世纪60年代概念

多道程序设计技术：是指同时把多个作业放入主存并且允许它们交替执行，共享系统中的各类资源。工作原理

用户提交的作业先在外存上排成一个队列，称为“后备作业队列”。主存储器可以同时存放多道作业，处理机调用一道作业执行，如发现作业因输入输出产生等待，监督程序就引导处理机去执行在内存的另一道程序，这样就使处理机总是处于工作状态。特点多道性、无序性、调度性。优点1.资源利用率高2.系统吞吐量大不足1.作业平均周转时间长2.无交互能力（3）分时操作系统

批处理系统虽然提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量，但是对用户而言与计算机无交互性极不方便，这时，分时系统产生。时间：20世纪60年代概念分时技术:处理器的运行时间分成很短的时间片，根据时间片轮流把处理器分配给各联机作业使用。分时操作系统：指采用了分时技术的操作系统。工作原理

在分时系统中，一台计算机可以和许多终端相连，每个用户通过终端向系统发出命令，请求完成某项工作。而系统则分析从终端发来的命令，完成用户提出的要求。然后，用户可以根据系统提供的运行结果，向系统提出进一步的要求，这样重复上述交互过程，直到用户完成预计的全部工作。实现方式单道分时系统、多道分时系统、具有“前台”和“后台”的分时系统典型代表UNIX、MULTICS特点1.多路性2.独立性3.及时性：较弱，以人们能够接收的响应时间确定，通常2-3秒。4.交互性：交互性较强。（4）实时操作系统

有些领域需要的是能够立即响应、利用中断驱动、执行专门的处理程序和具有高可靠性的系统，于是，实时系统就产生了。实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求，在规定的时间内，完成对该事件的处理，并且控制所有实时任务协调一致地运行。

实时控制系统，又称为硬实时系统。

实时信息处理系统，又称为软实时系统，或弱实时系统特征即时响应高可靠性和安全性弱交互性实时系统与分时系统的区别系统的设计目标不同响应时间的长短不同交互性的强弱不同商业实时系统典型代表VxWorksEMC的DART系统（5）微机操作系统概念

微机操作系统是指配置在微机上的操作系统。最早出现的微机操作系统是CP/M操作系统。分类单用户单任务系统：CP/M、MS-DOS单用户多任务系统：Windows9x多用户多任务系统：UNIX（6）网络操作系统概念网络操作系统是网络的心脏和灵魂，是向网络计算机提供网络通信和网络资源共享功能的特殊的操作系统。模式客户机/服务器模式（C/S模式）20世纪80年代发展起来目前使用最广泛对等模式网络操作系统主流UNIX类Netware类WindowsLinux（7）分布式操作系统概念所谓分布式处理系统是指由多个分散的处理单元经互联网的连接而形成的系统。在分布式系统上配置的操作系统称为分布式操作系统。特点分布性、透明性并行性、健壮性分布式系统与网络操作系统的区别能否适用不同的操作系统。网络操作系统可以构架于不同的操作系统之上；而分布式操作系统是由一种操作系统构架的。对资源的访问方式不同。网络操作系统在访问系统资源时，需要指明资源的位置和类型，对本地资源和异地资源的访问要区别对待；而分布式操作系统对所有资源，包括本地资源和异地资源，都用同一方式进行管理和访问，用户不必关心资源在哪里，或资源是怎样存储的。（8）嵌入式操作系统概念是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。特点可装卸性强实时性操作方便简单、界面友好接口统一固化代码良好的移植性1.3操作系统的功能与特征

1.3.1操作系统的特征

不同操作系统的特征各不相同。批处理操作系统主要突出成批处理的特点，分时操作系统主要突出交互性的特点，实时操作系统主要突出及时处理的特点。但是，这几种操作系统都具有以下基本特征。并发性宏观并发，微观交替共享性

根据资源的属性，把共享分为互斥共享和同时共享虚拟性通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑实体。异步性进程的执行不是“一气呵成”的，是“走走停停”的。1.3.2操作系统的功能处理器管理存储器管理设备管理文件管理作业管理

1.4现代主要操作系统简介1.4.1Windows操作系统Windows，即窗户、视窗的意思。Windows操作系统采用了GUI图形化操作模式，比起从前的指令操作系统DOS具有界面直观、操作方便、人性化等特点。Windows操作系统是目前世界上使用最广泛的操作系统，根据2013年1月最新的调查数据显示，微软的Windows家族占据全球PC操作系统市场份额的91.49%，位列PC行业首位。主要特点图形界面、操作直观新的内存管理方式（实现虚拟存储）提供各种系统管理工具提供数据库接口、网络通信接口允许装入和运行DOS下开发的程序发展历程1.4.2Linux操作系统Linux是由芬兰藉科学家LinusTorvalds于1991年编写完成的一个操作系统内核，当时他还是芬兰首都赫尔辛基大学的学生。Linus把这个系统放在Internet上，允许自由下载，许多人对这个系统进行改进、扩充、完善。主要特点：高效性、灵活性发行版本RedHat、Ubuntu、Fedora、OpenSUSE、Debian、Mandriva1.4.3Macintosh操作系统1986年，美国Apple公司推出Macintosh计算机操作系统。MAC是全图形化界面和操作方式的鼻祖。主要特点①采用面向对象技术；②全图形化界面；③虚拟存储管理技术；④应用程序间的相互通信；⑤强有力的多媒体功能；⑥简便的分布式网络支持；⑦丰富的应用软件。主要应用领域桌面彩色印刷系统、广告和市场经营、教育、财会和营销1.4.4Android操作系统Android（安卓）是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。本章小结操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地调度各类作业，以方便用户使用的程序集合。通过本章的学习，读者应熟悉和掌握以下基本知识：（1）操作系统的作用（2）操作系统的设计目标（3）操作系统的特征（4）操作系统的基本功能操作系统教程主编第2章处理器管理2.1处理器管理概述2.2进程描述2.3进程控制2.4线程2.5进程同步与互斥2.6进程通信2.7进程调度2.8进程死锁2.1处理器管理概述2.1.1处理器管理的功能处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。在现代操作系统中，处理器的分配和运行都是以进程为基本单位的，因而对处理器的管理也可以视为对进程的管理。进程是程序的一次执行过程。处理器管理包括以下功能：

1.进程控制。在并发运行环境中，要使程序运行，必须先为它创建一个或几个进程，并给它分配必要的资源。程序运行结束时，要撤消这些进程，并回收这些进程所占用的各类资源。进程控制的主要任务就是为程序创建进程，撤消已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。2.1.1处理器管理的功能2.进程同步。在并发环境中，进程是以异步方式工作的，并且以不可预知的速度向前推进。为了使多个进程能有条不紊地运行，系统中必须设置进程同步机制。进程同步的主要任务是对众多的进程运行进行协调。协调方式有两种：

（1）进程互斥方式。（2）

进程同步方式。2.1.1处理器管理的功能3.进程通信。在系统中，经常会有多个进程需要相互配合去完成一个共同的任务，而在这些进程之间，往往需要相互交换信息。进程通信的任务就是用来实现相互合作进程之间的信息交换。进程的通信方式有：（1）当相互合作的进程处于同一台计算机系统时，通常采用直接通信方式。由源进程利用发送命令直接将消息发送到目标进程的消息队列上，然后由目标进程利用接收命令从其消息队列中取出消息。（2）当相互合作的进程处于不同计算机系统时，通常采用间接通信方式。由源进程利用发送命令将信息发送到一个专门存放消息的中间实体中，然后由目标进程利用接收命令从中间实体中取出消息。这个中间实体通常称为“邮箱”，相应的通信系统称为电子邮件系统。2.1.1处理器管理的功能4.调度。等待在后备队列上的作业，通常要经过处理器调度才能执行。处理器调度包括作业调度（也称为高级调度）、进程调度（也称为低级调度）和中级调度。

（1）作业调度的基本任务是从后备队列中按照一定的算法，选择出若干个作业，为它们分配必要的资源，将它们调入主存，然后为它们建立进程，使之成为可能获得处理器的就绪进程，并按照一定的算法将其插入到就绪队列。

（2）进程调度的基本任务是从进程的就绪队列中，按照一定的调度算法选出一个进程，把处理器分配给它，并为它设置运行现场，使进程投入运行。本章主要介绍进程调度。

（3）中级调度的基本任务是把那些暂时不能运行的进程从主存移到外存上，释放其所占有的宝贵资源，让其他进程运行。当移到外存上的进程具备运行条件时，再由中级调度把它们重新调入主存，等待运行。2.1.2程序的执行

程序执行是指程序在计算机中的运行过程。程序的执行可以用前趋图表示，程序的执行方式有顺序执行和并发执行。

1.前趋图。它是一个有向无循环图。图中的每个结点可用于表示一条语句、一个程序段等；结点间的有向边表示在两个结点之间存在的前趋关系。如Pi→Pj，称Pi是Pj的前趋，而Pj是Pi的后继。在前趋图中，没有前趋的结点称为初始结点，没有后继的结点称为终止结点。应当注意的是，前趋图中不能存在循环。2.1.2程序的执行1.前趋图。在下图所示的前趋图中存在下述前趋关系：P1→P2，P1→P3，P2→P5，P3→P4，P4→P5，P5→P62.1.2程序的执行2.程序的顺序执行。程序在执行时，必须按照某种先后次序逐个执行操作，只有当前一个操作执行完后，才能执行后一个操作。例如：在进行计算时，总是先输入需要的数据，然后才能进行计算，计算完成后再将结果输出。如果用I代表输入，C代表计算，P代表打印，则上述情况可用下图所示的前趋图表示。2.1.2程序的执行

2.程序的顺序执行。

程序的顺序执行通常表现出如下特征：顺序性。严格按照程序所规定的顺序执行。封闭性。程序在封闭的环境下执行。程序在运行时独占所有资源，其执行结果不受外界因素的影响。可再现性。只要程序执行的环境和初始条件相同，程序无论重复执行多少次，按照何种方式执行，都将获得相同的结果。2.1.2程序的执行

3.程序的并发执行。是指在一个时间段内执行多个程序。程序在并发执行的特征：间断性。在程序并发执行时，由于它们之间共享资源或相互合作，致使它们之间形成了相互制约的关系，导致并发程序在执行中因为受到影响，表现为“执行—暂停执行—执行”的间断性活动规律。失去封闭性。程序并发执行时，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，程序在执行时，必然会受到其他程序的影响。不可再现性。由于程序执行时失去了封闭性，也将导致失去可再现性。既使并发程序执行的环境和初始条件相同，程序的多次执行或以不同的方式执行，可能获得不相同的结果。2.1.2程序的执行

3.程序的并发执行。【例2-1】程序A和程序B为并发执行，它们共享变量M，假设M初值为3；程序A执行M=M+1；程序B执行printM；M=1。程序A和程序B执行的顺序若不相同，M的结果将产生不同的变化。顺序1．M=M+1；printM；M=1。M值依次为4、4、1。顺序2．printM；M=M+1；M=1。M值依次为3、4、1。顺序3．printM；M=1；M=M+1。M值依次为3、1、2。按照顺序1执行，M的输出结果为4；按照顺序2执行，M的输出结果为3；按照顺序3执行，M的输出结果为3。所以，当执行的条件不同时，并发程序有可能产生不同的执行顺序，也就会得到不同的执行结果。这样并发程序就形成了结果的不可再现性。2.1.2程序的执行【例2-2】已知一个求值公式(a2+3b)/(b+5a)，若a、b已赋值，试画出该公式求值过程的前趋图，并判断哪些求值过程可以并发执行。【解】把公式(a2+3b)/(b+5a)按照运算顺序分解，可以产生如下运算步骤：s1～s6，如图（a）所示；根据分解的运算顺序画出它的前趋图，如图（b）所示。2.1.2程序的执行根据前趋图，可以看出能够并发执行的运算是：s1与s2、s1与s3、s2与s3、s1与s5、s2与s5、s3与s4、s4与s5，其余运算不能并发执行。2.2进程描述2.2.1进程的概念

1.进程的定义。

“进程”这一术语，在20世纪60年代初期，首先出现在麻省理工学院的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360系统中。其后，人们对它不断加以改进，从不同的方面对它进行描述。关于进程的定义有以下一些描述：进程是程序的一次执行。进程可以定义为一个数据结构及能在其上进行操作的一个程序。

进程是程序在一个数据集合上的运行过程，是系统资源分配和调度的一个独立单位。

2.2.1进程的概念

2.进程的特征。进程的五个基本特征：

（1）动态性。进程的动态性是进程的最基本特征，它表现为“进程因创建而产生，因调度而执行，因得不到资源而暂停，以及因撤消而消亡”。因此，进程具有一定的生命周期，其状态也会不断发生变化，是一个动态实体。（2）并发性。进程的并发性是指多个进程在一段时间内同时运行，交替使用处理器的情况。并发性是进程也是操作系统的重要特征。（3）独立性。进程的独立性是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是独立获得资源和独立调度的基本单位。没有创建进程的程序，是不能参加运行的。（4）异步性。进程的异步性是指系统中的进程按照各自独立的、不可预知的速度向前推进，即进程按照异步方式运行。（5）结构性。进程的结构性是指在结构上进程实体由程序段、数据段和进程控制块组成，这三部分也统称为“进程映像”。

2.2.1进程的概念

2.进程的特征。举一个例子来说明程序和进程。例如从北京西站发往长沙的T1次列车，它有自己的运行步骤：始发时间、站台，中间停靠的车站及停靠时间，到达终点站的时间等，这相当于一个程序。而2007年3月18日从北京西站发往长沙的T1次列车就相当于一个进程，它是一个过程，15:00从北京西站出发，第二天6:10到达长沙结束。2.2.2进程的状态1.进程的三种基本状态（1）就绪状态。当进程已分配到除处理器（CPU）以外的所有必要资源后，只要再获得处理器就可以执行的状态称为就绪状态。在一个系统里，可以有多个进程同时处于就绪状态，通常把这些就绪进程排成一个或多个队列，称为就绪队列。（2）执行状态。处于就绪状态的进程一旦获得了处理器，就可以运行，进程状态也就处于执行状态。在单处理器系统中，只能有一个进程处于执行状态。（3）阻塞状态。正在执行的进程因为发生某些事件（如请求输入/输出、申请额外空间等）而暂停运行，这种受阻暂停的状态称为阻塞状态，也可以称为等待状态。通常将处于阻塞状态的进程排成一个队列，称为阻塞队列。2.2.2进程的状态2.进程的其它两种状态（1）新状态。当一个新进程刚刚建立，还未将其放入就绪队列时的状态，称为新状态。（2）终止状态。当一个进程已经正常结束或异常结束，操作系统已将其从系统队列中移出，但是，尚未撤消，这时称为终止状态。2.2.2进程的状态3.进程状态间的转换。

（1）新状态→就绪状态。当就绪队列能够接纳新的进程时，操作系统就会把处于新状态的进程移入就绪队列，此时进程就从新状态转变为就绪状态。（2）就绪状态→执行状态。处于就绪状态的进程，当进程调度程序按照一定的算法为之分配了处理器后，该进程就可以获得执行，从而使进程状态由就绪状态变为执行状态。处于执行状态的进程也称为当前进程。（3）执行状态→阻塞状态。正在执行的进程因为自身需求发生某种事件（如I/O请求或等待某一资源等）而无法继续执行时，只好暂停执行，此时进程就由执行状态转变为阻塞状态。2.2.3进程的状态3.进程状态间的转换。

（4）执行状态→就绪状态。正在执行的进程，如果因系统分配给的时间片结束或优先权较低，而暂停执行时，该进程将会从执行状态转变为就绪状态。（5）阻塞状态→就绪状态。处于阻塞队列中的进程，如果需要的资源得到满足或完成输入输出响应，就会变为就绪状态，进入就绪队列，等待下一次调度。（6）执行状态→终止状态。当一个进程正常结束或出现异常错误结束时，进程将由执行状态转变为终止状态。

2.2.3进程的状态3.进程状态间的转换。

下图给出了具有五种基本状态的进程状态转换图。2.2.3进程的挂起状态1.挂起状态的引入。

（1）用户的需求。当用户在进程运行期间，发现有可疑问题时，希望进程暂时停止下来，但是，并不终止进程。若进程处于执行状态，则暂停执行；若进程处于就绪状态，则暂时不接受调度，以便研究进程执行情况或对程序进行修改。这种静止状态称为挂起状态。（2）父进程的需求。父进程往往希望考查和修改子进程，或者协调各个子进程之间的活动，此时需要挂起自己的子进程。（3）操作系统的需求。操作系统有时需要挂起某些进程，然后检查系统中资源的使用情况，进行记账控制，以便改善系统运行的性能。（4）对换的需求。为了缓和主存与系统其他资源的紧张情况，并且提高系统性能，有些系统希望将处于阻塞状态的进程从主存换到外存。而换到外存的进程，当等待的事件完成，它仍然不具备执行的条件，不能进入就绪队列，所以需要一个有别于阻塞状态的新状态来表示，即挂起状态。2.2.3进程的挂起状态2.引入进程挂起状态后进程状态的转换。

（1）执行状态→静止就绪。正在执行的进程，如果用挂起原语将该进程挂起后，此时进程就暂停执行，转变为静止就绪状态。（2）静止就绪→活动就绪。处于静止就绪状态的进程，若用激活原语将该进程激活后，进程状态就由静止就绪状态变为活动就绪状态，激活后的进程就可以被调度执行了。（3）活动就绪→静止就绪。当进程处于未被挂起的就绪状态时，称之为活动就绪状态，在用挂起原语将该进程挂起后，此时进程就转变为静止就绪状态。处于静止就绪状态的进程，不能再被调度执行。2.2.3进程的挂起状态2.引入进程挂起状态后进程状态的转换。

（4）活动阻塞→静止阻塞。当进程处于未被挂起的阻塞状态时，称之为活动阻塞状态。在用挂起原语将该进程挂起后，此时进程就转变为静止阻塞状态。（5）静止阻塞→活动阻塞。处于静止阻塞状态的进程，若用激活原语将该进程激活，进程状态就由静止阻塞状态变为活动阻塞状态。（6）静止阻塞→静止就绪。处于静止阻塞状态的进程，在其所需要的资源满足或完成等待的事件后，就会变为静止就绪状态。2.3进程控制2.3.1进程控制块PCB

1.

进程控制块的概念。进程控制块PCB（ProcessControlBlock）是进程实体的重要组成部分，是操作系统中最重要的记录型数据。在进程控制块中记录了操作系统所需要的、用于描述进程情况及控制进程运行所需要的全部信息。通过PCB，使得原来不能独立运行的程序（数据），成为一个可以独立运行的基本单位，一个能够并发执行的进程。换句话说，在进程的整个生命周期中，操作系统都要通过进程的PCB来对并发执行的进程进行管理和控制。由此看来，进程控制块是系统对进程控制采用的数据结构。系统是根据进程的PCB而感知进程存在的。所以，进程控制块是进程存在的惟一标志。

2.3.1进程控制块PCB

2.

进程控制块的内容。

进程控制块主要包括下述四个方面的信息。2.3.1进程控制块PCB

2.

进程控制块的内容。（1）进程标识信息。进程标识符用于标识一个进程，通常有外部标识符和内部标识符两种。（2）说明信息（进程调度信息）。说明信息是与进程调度有关的状态信息：进程状态、优先级、阻塞原因等。（3）现场信息（处理器状态信息）。现场信息是用于保留进程存放在处理器中的各种信息，主要由处理器中的各个寄存器的内容组成。（4）管理信息（进程控制信息）。管理信息包括进程资源、控制机制等一些进程执行所需要的信息：程序和数据的地址、进程同步和通信机制、资源清单、链接指针等。2.3.1进程控制块PCB

3.

进程控制块的组织方式。（1）链接方式。把具有相同状态的PCB，用链接指针链接成队列，如就绪队列、阻塞队列和空闲队列等。图2-7给出了一种PCB链接队列的组织方式。2.3.1进程控制块PCB

3.

进程控制块的组织方式。（2）索引方式。系统根据各个进程的状态，建立不同索引表，例如就绪索引表、阻塞索引表等。并把各个索引表在主存的首地址记录在主存中的专用单元里，也可以称为表指针。在每个索引表的表目中，记录着具有相同状态的各个PCB在表中的地址。图2-8给出了PCB组织的索引方式。2.3.1进程控制块PCB

4.

进程控制原语。

原语是指具有特定功能的不可被中断的过程。它主要用于实现操作系统的一些专门控制操作。用于进程控制的原语有：（1）创建原语。用于为一个进程分配工作区和建立PCB，置该进程为就绪状态。（2）撤消原语。用于一个进程工作完后，收回它的工作区和PCB。（3）阻塞原语。用于进程在运行过程中发生等待事件时，把进程的状态改为阻塞状态。（4）唤醒原语。用于当进程等待的事件结束时，把进程的状态改为就绪状态。2.3.2进程的创建与撤销在系统中，只有进程才能得到运行。因此，程序想要执行，就必须为之创建进程。进程执行结束，就必须撤消它。1.

进程的创建。（1）引起进程创建的事件。

引起进程创建的事件有以下四类：用户登录。作业调度。提供服务。应用请求。2.3.2进程的创建与撤销1.

进程的创建。（2）进程创建的过程。一旦操作系统发现了要求创建进程的事件后，便调用进程创建原语，按照下列步骤创建一个新进程。①为新进程分配惟一的进程标识符，并从PCB队列中申请一个空闲的PCB。②为新进程的程序和数据，以及用户栈分配相应的主存空间及其他必要的资源。③初始化PCB中的相应信息，如标识信息、处理器信息、进程控制信息等。④如果就绪队列可以接纳新进程，便将新进程加入到就绪队列中。2.3.2进程的创建与撤销2.

进程的撤销。（1）引起进程撤消的事件。

引起进程撤消的事件有三类：进程正常结束。在进程运行期间，由于出现某些错误和故障而使进程被迫中止。进程应外界的请求而终止运行。2.3.2进程的创建与撤销2.

进程的撤销。（2）进程撤消的过程。一旦操作系统发现了要求终止进程的事件后，便调用进程终止原语，按照下列步骤终止指定的进程。①根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索该进程的PCB，读出进程状态。②若该进程处于执行状态，则立即终止该进程的执行。③若该进程有子孙进程，还要将其子孙进程终止。④将该进程所占用的资源回收，归还给父进程或操作系统。⑤将被终止进程的PCB从所在队列中移出，撤消该进程的PCB，并将其加入到空闲的PCB队列中。2.3.3进程的阻塞与唤醒1.

进程的阻塞。（1）引起进程阻塞的事件。

引起进程阻塞的事件有四类：请求系统服务。启动某种操作。新数据尚未到达。无新工作可做。2.3.3进程的阻塞与唤醒1.

进程的阻塞。（2）进程阻塞的过程。一旦操作系统发现了要求阻塞进程的事件后，便调用进程阻塞原语，按照下列步骤阻塞指定的进程。①立即停止执行该进程。②修改进程控制块中的相关信息。把进程控制块中的运行状态由“执行”状态改为“阻塞”状态，并填入阻塞的原因，以及进程的各种状态信息。③把进程控制块插入到阻塞队列。根据阻塞队列的组织方式，把阻塞进程的进程控制块插入阻塞队列中。④转调度程序重新调度，运行就绪队列中的其他进程。2.3.3进程的阻塞与唤醒2.

进程的唤醒。（1）引起进程唤醒的事件。

引起进程唤醒的事件有四类：请求系统服务得到满足。启动某种操作完成。新数据已经到达。有新工作可做。2.3.3进程的阻塞与唤醒2.

进程的唤醒。（2）进程唤醒的过程。一旦操作系统发现了要求唤醒进程的事件后，便调用进程唤醒原语，按照下列步骤唤醒指定的进程。①从阻塞队列中找到该进程。②修改该进程控制块中的相关内容，把阻塞状态改为就绪状态，删除阻塞原因等。③把进程控制块插入到就绪队列中。按照就绪队列的组织方式，把被唤醒的进程的进程控制块插入到就绪队列中。2.4线程2.4.1线程的基本概念1.线程的引入进程作为系统中的一个基本单位，具有两个属性：一是资源分配和拥有的基本单位。二是一个可以独立调度和执行的基本单位。在进程操作过程中，因为进程是一个资源的拥有者，所以，系统要不断地进行资源的分配与回收、现场的保存与恢复等工作。系统要为此付出较大的时间与空间的开销。另外，在系统中所设置的进程数目不能过多，进程切换的频率也不能过高，这就限制了系统并发程度的进一步提高。设想如果将进程的两个属性分开，由操作系统分别处理，即进程只作为资源分配与拥有的单位，不再是调度和执行的基本单位，而对资源分配与拥有的基本单位，不进行频繁的切换处理，以减少系统开销。正是因为这种思想，产生了一个新的概念——线程。2.4.1线程2.线程的概念

线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和执行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器、一组寄存器和栈），但是它可以与同属于一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤消另一个线程，同一进程中的多个线程之间可以并发执行。线程之间也会相互制约，使其在运行中呈现异步性。因此，线程同样具有就绪、执行、阻塞三种基本状态。2.4.1线程3.线程的组成每个线程有一个thread结构，即线程控制块，用于保存自己私有的信息，主要由以下4个基本部分组成：①一个惟一的线程标识符。②描述处理器工作情况的一组寄存器（如程序计数器、状态寄存器、通用寄存器等）值。③每个thread结构有两个栈指针。一个指向核心栈，一个指向用户栈。当用户线程转变到核心态方式下运行时，就使用核心栈；当线程用户态下执行时，就使用自己的用户栈。④一个私有存储区，存放现场保护信息和其他与该线程相关的统计信息等。2.4.1线程3.线程的组成线程必须在某个进程内执行。它所需的其他资源，如代码段、数据段、打开的文件和信号等，都由它所属的进程拥有。即操作系统分配这些资源时以进程为单位。一个进程可以包含一个线程或多个线程。其实，传统的进程就是只有一个线程的进程。当一个进程包含多个线程时，这些线程除自己私有的少量资源外，要共享所属进程的全部资源。核心栈调度状态信息核心栈指针用户栈指针私有存储区线程标识符用户栈2.4.1线程4.线程的状态线程也有若干种状态，如运行状态、阻塞状态、就绪状态和终止状态。线程是一个动态进程。它的状态转换是在一定的条件下实现的。通常，当一个新进程创建时，该进程的一个线程也被创建。以后，这个线程还可以在它所属的进程内部创建另外的线程，为新线程提供指令指针和参数，同时为新线程提供私有的寄存器内容和栈空间，并且放入就绪队列中。当CPU空闲时，线程调度程序就从就绪队列中选择一个线程，令其投入运行。线程在运行过程中如果需要等待某个事件，它就让出CPU，进入阻塞状态。以后，当该事件发生时，这个线程就从阻塞状态变为就绪状态。2.4.1线程5.线程的管理①线程创建。一个线程通过调用过程库中的thread_create可以创建新线程。使用thread_create时要提供参数——新线程运行的过程名，但没有必要指明新线程的地址空间，因为它自动运行在创建者线程的地址空间内。创建新线程时将为新线程建立thread结构，分配栈结构等。最后把它设置为就绪状态，放入就绪队列。②线程终止。一个线程完成自己的工作后，通过调用过程库中的thread_exit终止自身。此后，它将从系统中消失，不再被调度。③线程等待。在某些线程系统中，一个线程通过调用过程库中的thread_wait可以等待指定线程终止。这个过程使调用者线程变为阻塞状态，直到指定的线程终止，它才转为就绪状态。④线程让权。当一个线程自愿放弃CPU，让给另外的线程运行时，它可调用过程thread_yield。2.4.2线程与进程的比较1.线程与进程的比较线程具有许多传统进程的特征，所以又称为轻型进程。传统的进程称为重型进程，相当于只有一个线程的任务。在引入线程的操作系统中，通常一个进程拥有若干个线程，至少也有一个线程。（1）调度（2）并发（3）拥有资源（4）系统开销2.4.2线程与进程的比较2.引入线程的好处①易于调度②提高并发性③开销少④利于充分发挥多处理器的功能2.4.2线程与进程的比较2.引入线程的好处线程的引入和应用，也给系统设计带来若干复杂性问题。例如，父进程有多个线程，当父进程利用fork系统调用创建子进程时，子进程是否也有这些线程？如果子进程也拥有像父进程一样多的线程，那么，当父进程中的一个线程由于从键盘上读取数据而阻塞时，会发生什么情况？在父进程和子进程中是否各有一个线程被阻塞？当输入行数据后，两个线程是否都得到该数据？另一类问题是，若干线程共享多个数据结构，当一个线程关闭一个文件而另一个线程还在从中读取信息时，会发生什么情况？如果一个线程发现内存不足，要求分配更多内存，当分配工作进行一半时，发生线程切换，后面的线程也发现内存不足，要求分配内存，是否分配两次内存？2.4.3线程的类型1.在用户空间实现线程在用户空间实现线程是把线程库整个地放在用户空间，核心对线程一无所知。所以，核心只关心对常规进程进行管理，并不知道线程是否存在，管理线程的工作全部由应用程序完成。这种方式最明显的优点是：在不支持线程的操作系统上也可以实现用户级线程。所有的操作系统都可归为这一类，常见的用户线程库包括MachC-threads、Solaris2UI-threads等。在用户空间中管理线程，每个进程有一个私有的线程表，其中记载该进程所拥有的各个线程的情况，如程序计数器、栈指针、寄存器的值及线程状态等信息。这与核心空间中的进程表有些类似。2.4.3线程的类型1.在用户空间实现线程内核用户空间核心空间进程线程运行时系统线程表进程表2.4.3线程的类型1.在用户空间实现线程（1）在用户空间实现线程的优点①线程切换速度很快②调度算法可以是应用程序专用的。一个应用程序可能最适宜简单的轮转调度算法，面另外的应用程序可能适于优先级调度算法。这样，就允许不同的应用程序采用适合自己要求的不同的调度算法，并且不干扰底层的操作系统的调度程序。③用户级线程可以运行在任何操作系统上，包括不支持线程机制的操作系统。线程库是一组应用级的实用程序，所有应用程序都可共享。2.4.3线程的类型1.在用户空间实现线程

（2）用户级线程的主要缺点①系统调用的阻塞问题。在典型的操作系统中，多数系统调用是阻塞式的。当一个线程执行系统调用时，不仅它自己被阻塞，而且在同一个进程内的所有线程都被阻塞。解决此问题的一种方案是把应用程序编写成多进程式，而不是多线程的，但这样做就失去了线程机制的主要优点。另一种方案是把系统调用都改为非阻塞式，这样做要修改现行的操作系统，还要改变有关系统调用的语义。②在单纯用户级线程方式中，多线程应用程序不具有多处理器的优点。因为操作系统内核只为每个进程一次分配一个处理器，每次只有该进程的一个线程得以运行，在该线程自愿放弃CPU之前，该进程内的其他线程不会运行。实际上，这是在单个进程中实现应用级多道程序设计。一种解决方案是让运行时系统申请一个时钟信号，每秒中断一次，以便实现线程切换。但是，这种强行切换会使会导致线程混乱。另外，这样做也会增加系统开销，而且还会干扰线程所需的正常时钟中断。2.4.3线程的类型2.在核心空间实现线程线程可在核心空间实现。在这种方式下，核心知道线程存在，并对它们实施管理。线程表不在每个进程的空间中，而是在核心空间中。线程表中记载系统中所有线程情况。当一个线程想创建一个新线程或者删除一个现有线程时，必须执行系统调用，后者通过更新核心空间的线程表来完成上述工作。线程表中的信息与用户级线程相同。另外，核心空间除保存一个线程表外，还保存一个传统的进程表，其中记载系统中所有进程的信息。在核心级线程方式下，将进程作为一个整体来管理，它的有关信息由核心保管。核心进行调度时以线程为基本单位，这种方式克服了用户级线程方式的两个主要缺陷：①在多处理器系统中，核心可以同时调度同一进程的多个线程；②如果一个进程的某个线程阻塞了，核心可以调度同一个进程的另一个线程。核心级线程方式的一个优点是，核心线程本身也可以是多线程的。2.4.3线程的类型2.在核心空间实现线程与用户级线程相比，核心级线程方式也存在一些缺点，主要是控制转移开销大。在同一个进程中，从一个线程切换到另一个线程时，需将模式切换到核心态。统计表明，在单CPU系统中，针对线程的创建、调度、执行直至完成的时间以及线程间同步开销的时间，核心级线程方式都比用户级线程方式高一个数量级。从表面上看，利用核心级线程比采用单线程进程可以明显加快速度；同样，利用用户级线程又可得到更快的速度。然而，能否获得这种效益取决于运行的应用程序。如果一个应用程序内多数线程切换都要进入核心模式，那么，用户级线程方式就不比核心级线程方式快。2.4.3线程的类型2.在核心空间实现线程内核进程线程运行时系统线程表进程表2.4.3线程的类型3.组合方式有些操作系统把用户级线程和核心级线程这两种方式结合在一起，从而取长补短。同一个进程的多个用户级线程位于某个或全部核心级线程之上。在组合方式中，核心只知道核心级线程，也只对它们实施调度。某些核心级线程对应多个用户级线程。这些用户级线程的创建、删除和调度完全在用户空间中进行。利用组合方式，同一个进程内的多个线程可在多个处理器上并行运行，且阻塞式系统调用不必将整个进程阻塞。所以，这种方式吸收了上述二者的优点，克服了各自的不足。实现组合方式有不同的模型，即多对一模型、一对一模型和多对多模型。2.4.3线程的类型3.组合方式

（1）多对一模型：多对一模型把多个用户级线程映像到一个核心线程上。线程管理是在用户空间完成的，所以效率高。问题是如果其中有一个线程因执行系统调用而阻塞，那么整个进程都被阻塞。另外每次只能有一个线程访问核心，所以多个线程不能在多处理器上并行。在Solaris2的线程库中就采用这种模型。（2）一对一模型：一对一模型是每个用户线程映像到一个核心线程。当一个线程因执行系统调用而阻塞时，允许调度另一个线程运行，也允许多个线程在多处理器上并行，因而并行能力比多对一模型强。不足之处是创建一个用户线程就要相应地创建一个核心线程，因而开销大。在实现这种模型的系统上多数都限制线程的数量。WindowsNT,Windows2000和OS/2系统上都实现了一对一模型。（3）多对多模型：多对多模型把多个用户级线程映像到较少或相等个数的核心线程上。核心线程的个数可随应用程序或所用机器而变化，如一个应用程序在多处理器系统上分配的线程数就比单处理器系统的多。多对多模型克服了上述两种模型的缺点：开发者可以根据需要创建多个用户线程，而且相应的核心线程可以在多处理器上并行。也就是说，当一个线程因执行系统调用而阻塞时，核心可以调度另一个线程运行。Solaris2，IRIX，HP-UX和Tru64UNIX系统都支持这种模型。2.4.4线程池实现线程池的思想是：在进程建立时就创建若干线程，把它们放在一个池中，它们在那里等待工作。当服务器接到一个请求时，就唤醒池中的一个线程，并把那个请求传给它，由该线程进行服务。一旦它完成工作，便返回池中，等待进行下面的服务。如果池中没有可用的线程，服务器就要等待，直至有一个线程被释放。使用线程池有以下两个好处：①利用池中现存的线程去实现服务比等待创建一个线程后再去服务更快。②线程池限定了任何时刻存在的线程数量。对于那些不支持同时存在大量线程的系统来说，这一点尤为重要。确定池中线程的个数，需要考虑若干因素，如系统中CPU个数、物理内存容量，以及预计同时到来的客户请求的数量。当然，也可动态调整池中线程的数量，但这需要更复杂的线城池构造。2.4.5超线程1.超线程的概念超线程技术，简而言之就是利用特殊的硬件指令，在一颗实体处理器中放入两个逻辑处理单元，从而模拟成两个工作环境，让单个处理器都能使用线程级并行计算，同时处理多项任务，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。操作系统或应用软件的多线程可以同时运行于一个处理器上，两个逻辑处理部件共享一组处理器执行单元，并行完成加、乘、负载等操作，这样就可以使得运行性能提高40%。原来的芯片每秒钟能够处理成千上万条指令，但是在任一时刻只能够对一条指令进行操作。而“超线程”技术可以使芯片同时进行多个处理，使芯片性能得到提升。发挥超线程技术的效能首先需要有操作系统的支持，现有的Windows各个版本、Linux都是支持多处理器的操作系统。另外还需要应用软件的支持。因为超线程技术是在线程级别上并行处理命令，按线程动态分配处理器等资源。该技术的核心理念是“并行度（Parallelism）”，也就是提高命令执行的并行度、提高每个时钟的效率。这就需要软件在设计上线程化，提高并行处理的能力。2.4.5超线程2.SMT同步多线程技术同步多线程技术（SMT）是一种体系结构模型，其目的是在现有硬件条件下，通过提高计算能力来提高处理器的性能。SMT结构中，不仅在一周期内启动多条指令，而且也能在同一周期内启动来自相互独立的线程（或上下文）的指令。在理论上，这种改进运用了指令级并行性（ILP）和线程级并行性（TLP）技术来提高执行功能单元的效率。SMT可以最有效的利用多重启动和多线程结构，而不必实质性的增加开销和晶体管数量。DEC/Compaq的AlphaEV-8处理器就是利用SMT技术的典型机器。EV-8的设计者之一JoelEmer说“它看上去像4个芯片，用起来像两个，而实际上只有一个，但它相比于一个非多线程的只增加了5％的晶体管。”2.4.5超线程3.超线程的工作原理超线程是同时多线程技术（SMT）的一种，这种技术可经由复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源。对支持多处理器功能的应用程序而言，超线程处理器被视为两个分离的逻辑处理器。应用程序不须修正就可使用这两个逻辑处理器。同时，每个逻辑处理器都可独立响应中断。第一个逻辑处理器可追踪一个软件线程，而第二个逻辑处理器则可同时追踪另一个软件线程。由于两个线程共同使用同样的执行资源，因此不会产生一个线程执行的同时，另一个线程闲置的状况。这种方式可以大大提升每个实体处理器中的执行资源使用率。使用这项技术后，每个实体处理器可成为两个逻辑处理器，让多线程的应用程序能在实体处理器上平行处理线程级的工作，提升了系统效能。随着应用程序针对平行处理技术的逐步优化，超线程技术为新功能及用户不断增长的需求提供了更大的改善空间。2.4.5超线程4.英特尔P4的超线程技术Intel让CPU可以同时执行多重线程，就能够让CPU发挥更大效率，即所谓“超线程（Hyper-Threading，简称“HT”）”技术。超线程技术是在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源，理论上要像两颗CPU一样在同一时间执行两个线程，在Intel的P4处理器中多加入了一个LogicalCPUPointer（逻辑处理单元）。因此Intel的P4（奔腾4）HT的面积比以往的P4增大了5%。而其余部分如ALU（整数运算单元）、FPU（浮点运算单元）、L2Cache（二级缓存）则保持不变，这些部分是被分享的。虽然采用超线程技术能同时执行两个线程，但它并不象两个真正的CPU那样，每个CPU都具有独立的资源。当两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂时停止，并让出资源，直到这些资源闲置后才能继续。因此超线程的性能并不等于两颗CPU的性能。英特尔P4超线程有两个运行模式，SingleTaskMode（单任务模式）及MultiTaskMode（多任务模式）。2.4.6多核技术1.双核及多核技术的概念“双核技术”，就是在处理器上拥有两个一样功能的处理器核心，即将两个物理处理器核心整合到一个内核中。两个处理核心在共享芯片组存储界面的同时，可以完全独立地完成各自地工作，从而能在平衡功耗的基础上极大地提高CPU性能。多核CPU，即单芯片多处理器(CMP)是指在一个芯片上集成多个微处理器核心，可以并行地执行程序代码，在不提升CPU工作频率的情况下，降低CPU的功耗，并获得很高的聚合性能根据芯片上集成的多个微处理器核心是否相同，多核CPU可分为同构和异构两种：同构多核CPU大多数由通用的处理器组成，核心相同，核心间平等；异构多核CPU使用不同的核心组成，它们分为主处理器和协处理器。通用多核CPU多数采用同构结构，多个处理器执行相同或者类似的任务。同构原理简单，结构对称，硬件上较易实现；异构CPU通常含有一个主处理器和多个协处理器。主处理器主要负责控制和管理，协处理器主要用来运算。2.4.6多核技术2.具有代表性的多核CPU产品第一个商用的多核CPU是2001年IBM推出的双核RISC处理器Power4。2004年IBM又推出后继产品Power5，并在双核的基础上引入多线程技术。同时，HP也推出多核CPU产品PA—RISC8800，SUN也发布双核产品UltraSPARCIV。2005年，多核CPU得到全面发展，AMD迅速推出面向服务器、支持x86指令集的双核心Opteron处理器。Intel则推出面向桌面系统的双核CPU——PentiumD及PentiumExtremeEdition。另外，IBM在超级计算机系统BlueGene／L中使用的CPU也是一种双核CPU，与索尼和东芝联合推出的Cell处理器具备多达9个核心。2.4.6多核技术3.CMP单芯片多核心处理器介绍

CMP是指在一个芯片上集成多个微处理器核心，实质上每个微处理器都是一个相对简单的单线程微处理器，而且这多个核心间联系非常紧密，甚至共享L1、L2和L3等。其核间通过高速总线连接在一起。同构CMP大多数由通用的处理器组成，多个处理器执行相同或者类似的任务。异构CMP除含有通用处理器作为控制、通用计算之外，多集成DSP、ASIC、媒体处理器、VLIW处理器等针对特定的应用提高计算的性能。基于X86技术的多核处理器多采用类似技术，其中AMDOpteron处理器在设计上与传统的RISC处理器设计较为接近。Intel产品由于是从单路处理器发展而来，在多路产品中与上述结构差别较大，但在设计上也引用了不少类似技术。CMP的结构可根据微处理器在存储层次上互连分为三类：共享一级Cache的CMP，共享二级Cache的CMP以及共享主存的CMP。通常，CMP采用共享二级Cache的CMP结构，即每个处理器核心拥有私有的一级Cache，且所有处理器核心共享二级Cache。2.4.6多核技术3.CMP单芯片多核心处理器介绍由于CMP采用单线程微处理器作为处理器核心，因此，CMP在实际使用中体现出了很多优点。首先，微处理器厂商一般采用现有的成熟单核处理器作为处理器核心，从而可缩短设计和验证周期，节省研发成本。其次，控制逻辑简单，扩展性好，,易于实现。再次，通过动态调节电压/频率、负载优化分布等，可有效降低CMP功耗。最后，CMP采用共享Cache或者内存的方式，多线程的通信延迟较低。相比于SMT，CMP的最大优势体现在模块化设计的简洁性。不光复制简单设计非常容易，指令调度也更加简单，同时也不存在SMT中多个线程对共享资源的争用，因此当应用的线程级并行性较高时，CMP性能一般要优于SMT。此外在设计上，更短的芯片连线使CMP比长导线集中式设计的SMT更容易提高芯片的运行频率，从而在一定程度上起到性能优化的效果。2.4.6多核技术4.CMP的关键技术首先在Cache设计。在CMP中，多个处理器核心对共享单一内存空间，因此在设计中采用多级Cache来缓解这一矛盾；此外，Cache自身的体系结构设计也直接关系到系统整体性能。很多CMP设计都采用了分布一级Cache，共享二级Cache和三级Cache的结构。其次，核间通信机制也很重要。CMP处理器由多个CPU核心组成，因此，每个CPU核间通信机制的优劣直接关系到CMP处理器的性能，高效的通信机制是CMP处理器高性能的重要保障。目前比较主流的片上高效通信机制有两种，一种基于总线共享的Cache结构，以斯坦福大学的Hydra处理器为代表；一种基于片上的互连结构，以麻省理工学院的RAW处理器为代表。总线共享Cache结构是指每个CPU内核拥有共享的二级或三级Cache，用于保存比较常用的数据，并通过连接核心的总线进行通信。基于片上互连的结构是指每个CPU核心具有独立的处理单元和Cache，各个CPU核心通过交叉开关或片上网络等方式连接在一起。此外，高性能系统总线接口设计、低功耗设计以及编译/运行时优化等因素也是十分重要的。2.4.6多核技术5.AMD和Intel的技术比较目前流行的双核概念主要是指基于X86开放架构的双核技术。在这方面，起领导地位的主要有AMD和Intel两家。AMD将两个内核做在一个Die（晶元）上，通过直连架构连接起来，集成度更高。AMD从一开始设计时就考虑到了对多核心的支持。所有组件都直接连接到CPU，消除系统架构方面的挑战和瓶颈。两个处理器核心直接连接到同一个内核上，核心之间以芯片速度通信，进一步降低了处理器之间的延迟。Intel则是将放在不同Die（晶元）上的两个内核封装在一起，采用多个核心共享前端总线的方式,因此有人将Intel的方案称为“双芯”。专家认为，AMD的架构对于更容易实现双核以至多核，Intel的架构会遇到多个内核争用总线资源的瓶颈问题。从用户端的角度来看，AMD的方案能够使双核CPU的管脚、功耗等指标跟单核CPU保持一致，从单核升级到双核，不需要更换电源、芯片组、散热系统和主板，只需要刷新BIOS软件即可，这对于主板厂商、计算机厂商和最终用户的投资保护是非常有利的。客户可以利用其现有基础设施，通过BIOS更改移植到基于双核心的系统。2.4.6多核技术6.双核心技术与超线程技术的区别双核心技术理解为两个“物理”处理器，是一种“硬”的方式；而超线程技术只是两个“逻辑”处理器，是一种“软”的方式。从原理上来说，超线程技术属于Intel版本的多线程技术。这种技术可以让单CPU拥有处理多线程的能力，而物理上只使用一个处理器。超线程技术为每个物理处理器设置了两个入口，即AS(ArchitectureState，架构状态)接口，从而使操作系统等软件将其识别为两个逻辑处理器。超线程中的两个逻辑处理器并没有独立的执行单元、整数单元、寄存器甚至缓存等等资源。它们在运行过程中仍需要共用执行单元、缓存和系统总线接口。在执行多线程时两个逻辑处理器均是交替工作，如果两个线程都同时需要某一个资源时，其中一个要暂停并要让出资源，等待那些资源闲置时才能继续。因此，超线程技术所带来的性能提升远不能等同于两个相同时钟频率处理器带来的性能提升。可以说Intel的超线程技术仅可以看做是对单个处理器运算资源的优化利用。双核心技术则是通过“硬”的物理核心实现多线程工作：每个核心拥有独立的指令集、执行单元，与超线程中所采用的模拟共享机制完全不一样。在操作系统看来，它是实实在在的双处理器，可以同时执行多项任务，能让处理器资源真正实现并行处理模式，其效率和性能提升要比超线程技术要高得多。2.5进程的同步与互斥2.5.1进程的并发性并发进程相互之间可能没有关系，也可能存在某种关系。如果进程间彼此毫无关系，互不影响，这种情况不会对系统产生什么影响，通常不是要研究的对象。如果进程间彼此相关，互相影响，那么就需要进行合理的控制和协调才能正确执行。进程间的关系可以分为：（1）资源共享关系。系统中的某些进程需要访问共同的资源，即当一个进程访问共享资源时，访问该共享资源的其他进程必须等待，当这个进程使用完后，其他进程才能使用。这时要求进程应互斥地访问共享资源。（2）相互合作关系。系统中的某些进程之间存在相互合作的关系，即一个进程执行完后，另一个进程才能开始。否则，另一个进程不能开始。这时就要保证相互合作的进程在执行次序上要同步。2.5.2同步与互斥的基本概念

1.进程同步与互斥的定义对于相关进程间的同步和互斥，必须进行有效的控制。这种控制涉及几个基本概念，即临界资源、临界区、进程同步和进程互斥的概念。（1）临界资源。

在系统中有许多硬件或软件资源，如打印机、公共变量等，这些资源在一段时间内只允许一个进程访问或使用，这种资源称为临界资源。（2）临界区。

作为临界资源，不论是硬件临界资源，还是软件临界资源，多个并发进程都必须互斥地访问或使用，这时把每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。而这些并发进程中涉及临界资源访问的那些程序段称为相关临界区。2.5.2同步与互斥的基本概念

1.进程同步与互斥的定义（3）进程同步。

进程同步是指多个相关进程在执行次序上的协调，这些进程相互合作，在一些关键点上需要相互等待或相互通信。通过临界区可以协调进程间相互合作的关系，这就是进程同步。（4）进程互斥。

进程互斥是指当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。当占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程才被允许使用临界资源。通过临界区协调进程间资源共享的关系，就是进程互斥。进程互斥是同步的一种特例。2.5.2同步与互斥的基本概念

2.进程同步机制应遵循的原则

（1）空闲让进。当无进程处于临界区时，临界资源处于空闲状态，可以允许一个请求进入临界区的进程进入自己的临界区，有效地使用临界资源。（2）忙则等待。当已有进程进入自己的临界区时，意味着临界资源正被访问，因而其他试图进入临界区的进程必须等待，以保证进程互斥地使用临界资源。（3）有限等待。对要求访问临界资源的进程，应保证该进程在有效的时间内进入自己的临界区，以免陷入“死等”状态。（4）让权等待。当进程不能进入自己的临界区时，应立即释放处理器，以免陷入“忙等”。2.5.2同步与互斥的基本概念