程式及其實現
筆記
程式的定義：
具有獨立功能的程式在某個資料集合上的一次執行活動
是作業系統經行資源分配和保護的基本單位
引進程式的原因：
1.刻畫程式的併發行。
2.解決資源的共享性。
程式的屬性：
1.動態性。
2.共享性。
3.獨立性。
4.制約性。
5.併發性。（多個程式的執行在時間上是可以重疊的，在單處理器系統中可以併發執行，但是處理器中只能有一個程式，在多處理器環境中可併發執行）
程式的分類：
1.使用者程式
2.系統程式
程式與程式的區別：
1.程式更能真實地描述併發，而程式不能
2.程式是由程式、資料、控制塊、核心棧組成
3.程式是靜態的，程式是動態的
4.程式有生命後期，有誕生有消亡，是短暫；而程式是想對長久存在的
5.一個程式可以有多個程式
拿QQ來說，qq就是一個程式，執行之後就建立了程式了
程式的三種狀態：
1.執行態：程式佔用處理器正在執行的狀態
2.就緒態：程式具備執行條件，等待系統分配處理器以便執行的狀態。（萬事俱備，只差CUP）
3.阻塞態（等待態或者睡眠態）：程式不具備執行條件，正在等待某個時間完成的狀態
等待態轉換成就緒態，就緒態轉換為執行態，當正在執行的程式的時間片用完時，執行態也可以轉換為就緒態，就緒態是肯定補能轉換成等待態的，因為萬事俱備了，只是差cup，怎麼可以又倒回去等待呢。等待態也不可以轉換成執行態，你都還沒分配資源，怎麼能直接佔用cup呢。
程式的七種狀態：
掛起：將程式從記憶體移到輔存中，釋放記憶體空間。
掛起程式的特徵：
1.該程式不能立即被執行
2.該程式可能會等待事件，但所等待的事件是獨立於掛起條件的，事件結束並不能導致程式具備執行條件
3.該程式進入掛起狀態是由於作業系統、父程式或程式自身阻止它的執行
4.結束掛起狀態的命令只能通過作業系統或父程式發出
程式映像：
某時刻程式的內容及其狀態集合
程式要素：
1.程式控制塊PCB（上下文切換時作業系統拍的照片就是儲存在PCB中）
2.程式程式塊
3.程式核心棧
4.程式資料塊
程式控制塊：
系統為了管理程式設定的一個專門的資料結構，用它來記錄程式的外部特徵，描述程式的運動變化過程。系統利用PCB來控制和管理程式，所以PCB是系統感知程式存在的唯一標誌。程式與PCB是一一對應的
構成：標誌資訊、現場資訊、控制資訊。
組織：系統把所有PCB組織在一起，並把它們放在記憶體的固定區域，就構成了PCB表。PCB表的大小決定了 系統中最多可同時 存在的程式個數， 稱為系統的併發度
使用權：其使用權和修改權均屬於作業系統
程式佇列組織方式：
1.連結方式
2.索引方式
不同狀態的程式可以排成不同佇列，如執行佇列、就緒佇列、等待佇列。單處理器的話，執行佇列只有一個程式。等待佇列通常有多個，按照等待狀態：等待I/O裝置，等待訊號量等等
在PCB池中空閒的PCB會連結成自由佇列
空閒程式佇列指標就是指空閒的PCB
程式上下文切換：
程式切換必定在核心態發生。
步驟：
1.儲存被中斷程式的處理器現場資訊（拍照）
2.修改被中斷程式PCB的有關資訊：如程式狀態等
3.把被中斷金程式的PCB加入相關佇列
4.選擇佔用處理器執行的另一個程式
5.修改被選中程式PCB的有關資訊：如改為就緒態
6.設定被選中程式的地址空間，恢復儲存管理資訊
7.根據被選中程式的上下文資訊來恢復處理器現場
程式切換一定會引起模式切換
程式建立：
1.在程式列表中增加一項，從PCB池中申請一個空閒PCB，為新程式分配唯一程式識別符號
2.為新程式的程式映像分配地址空間，以便容納程式實體，由程式管理程式確定載入至程式地址空間中的程式
3.為新程式分配各種資源
4.初始化PCB，如程式識別符號、處理器初始狀態、程式優先順序
5.把新程式的狀態設定為就緒態，並將其移入就緒佇列
6.通知作業系統某些模組，如記賬程式，效能監控程式等
程式撤銷：
程式完成特定工作或出現嚴重錯誤後必須被撤銷。
分類：
正常撤銷和非正常撤銷。
原因：
1.程式執行結束
2.程式執行非法指令
3.程式在使用者態執行特權指令
4.程式執行時間超過所分配的最大時間配額
5.程式等待時間超過所設定的最長等待時間
6.越界錯誤
7.對共享記憶體區的非法使用
8.出現程式性故障
9.I/O操作故障
10.操作員干預等。
一旦發生以上事件，系統或程式將呼叫撤銷原語來終止自己或者子程式。
步驟：
1.根據撤銷程式的標識號從相應佇列中查詢並移除它
2.將此程式所擁有的資源歸還給父程式或作業系統
3.若此程式擁有子程式，先撤銷其所有子程式以防止它們脫離控制
4.回收PCB並將其歸還至PCB池
5.轉向程式排程程式工作
程式阻塞和喚醒：
程式阻塞是指程式讓出處理器轉而等待一個事件，如等待資源、等待I/O操作完成、等待事件發生等
程式通常呼叫阻塞原語來阻塞自己，所以阻塞是程式的自主行為，是一個同步事件
程式阻塞步驟：
1.停止程式執行，將現場資訊儲存到PCB
2.修改程式PCB的有關內容，如程式狀態由執行態改為等待態等，並把狀態已修改的程式移入相應事件的等待佇列
3.轉向程式排程程式，排程其他程式執行
程式喚醒步驟：
1.從相應的等待佇列移除程式
2.修改PCB的有關內容，如程式狀態改為就緒態，並將程式移入就緒佇列
3.若被喚醒的程式比當前執行的程式的優先順序高，則重新設定排程標誌
阻塞原語和喚醒原語的作用剛好相反。
呼叫了阻塞原語來阻塞自己，必須由與相關的另一程式呼叫喚醒原語來喚醒被阻塞程式，否則被阻塞程式會因未被喚醒而處於永遠阻塞狀態
掛起原語既可由程式自己也可由其他程式呼叫，但是啟用原語只能由其他程式呼叫
小練習
一、填空題
1．程式的靜態描述由三部分組成： ①PCB、②程式部分、③相關的資料結構集
2．程式存在的標誌是：程式控制塊PCB
3.給出用於程式控制的四種常見的原語：建立原語、撤消原語、阻塞原語、喚醒原語
4程式被建立後，最初處於 ① 狀態，然後經 ② 選中後進入 ③ 狀態
①就緒，②程式排程程式，③執行
5. ① 是現代作業系統的基本特徵之一，為了更好地描述這一特徵而引入了 ② 這一概念。
①程式的併發執行，②程式
二、單項選擇題
1.程式排程是從 （ ）選擇一個程式投入執行。
（A）就緒佇列 （B）等待佇列
（C）作業後備佇列 （D）提交佇列
2.一個程式被喚醒，意味著 （ ）
（A）該程式重新佔有了CPU （B）程式狀態變為就緒
（C）它的優先權變為最大 （D）其PCB移至就緒佇列的隊首
3.程式和程式的本質區別是 （ ）
（A）儲存在記憶體和外存 （B）順序和非順序執行機器指令
（C）分時使用和獨佔使用計算機資源 （D）動態和靜態特徵
4.某程式所要求的一次列印輸出結束，該程式被 ① C，程式的狀態將從 ②F
（A）阻塞 （B）執行
（C）喚醒 （D）執行狀態到阻塞狀態
（E）就緒到執行 （F）阻塞到就緒
5.一程式在某一時刻具有（ ）
（A）一種狀態 （B）兩種狀態
（C）三種狀態 （D）四種狀態
6.程式從執行狀態變為等待的原因可能是（ ）
（A）輸入／輸出事件發生 （B）時間片到
（C）輸入／輸出事件完成 （D）某個程式被喚醒
【解析】正在執行的程式如果要申請輸入或輸出，這時程式的狀態將從執行變為等待，將CPU讓出，等待輸入或
輸出完成。
7.程式建立原語的任務是（ ）
（A）為程式編制程式 （B）為程式建立PCB表
（C）為程式分配CPU （D）為程式分配所需的各種資源
8.程式被建立後即進入 （ ）排隊
（A）阻塞佇列 （B）就緒佇列
（C）緩衝佇列 （D）執行佇列
【解析】程式建立後，按就緒佇列的排列順序插入其中，等待程式排程程式的排程。
9.多道系統環境下，作業系統分配資源是以（ ）為基本單位。
（A）作業 （B）指令
（C）程式 （D）程式
10.一個程式獲得了除CPU以外的所需資源，則該程式可能處於（ ）狀態
（A）執行 （B）就緒
（C）等待 （D） （B）和（C）
11.保護現場是指將現場資訊儲存至（ ）
(A)磁碟 (B)各相應的暫存器
(C)程式的PCB中 (D)記憶體系統區
三、多項選擇題:
1．程式所具有的基本狀態包括_________。
（A）後備狀態 （B）執行狀態
（C）完成狀態 （D）就緒狀態
（E）等待狀態
2．程式所具有的基本特徵包括_________。
（A）動態性 （B）順序性
（C）併發性 （D）封閉性
（E）非同步性
3．一個程式通常包括_________。
（A）程式 （B）作業說明書
（C）資料 （D）執行日誌
（E）程式控制塊（PCB）
4．執行狀態的程式由於某種原因可能變為_________。
（A）就緒狀態 （B）等待狀態
（C）後備狀態 （D）完成狀態
（E）活躍狀態
5． 程式排程演算法中，可以設計成“可搶佔式”的演算法有_________。
（A）先來先服務排程演算法 （B）優先數排程演算法 （C）最高響應比優先
（D）時間片輪轉排程演算法 （E）最短作業優先
【解析】常用的程式排程演算法有先來先服務、優先數、時間片輪轉及多級排程等演算法。而先來先服務排程演算法是“非
搶佔式”的；“優先數排程演算法”可以是“非搶佔式”的，也可以是“搶佔式”的；“時間片輪轉排程演算法”是一種“搶
佔式”的。演算法“最高響應比優先”、“最短作業優先”適用於作業排程，而不適於程式排程。所以選擇（B）、（D）。
6．從中斷事件的性質來說，一般中斷包括_________。
（A）硬體故障中斷 （B）程式中斷
（C）外部中斷 （D）輸入輸出中斷
（E）訪管中斷
7．在下列敘述中，正確的是_________。
（A）程式之間的狀態變化，一定在PCB中反映出來
（B）當程式完成I/O後，程式的狀態由等待變為執行
（C）中斷遮蔽是不允許發生中斷
（D）Ｏ.Ｓ的特徵之一為並行性，所謂並行性是指多個程式同時處於執行狀態
（E）中斷遮蔽是暫時不響應中斷
8．可以做為程式排程演算法的有_________。
（A）先來先服務排程演算法 （B）時間片輪轉排程演算法
（C）最高優先順序排程演算法 （D）響應比高者優先排程演算法
（E）均衡排程演算法
11．________可能會引起處理機從一個程式轉到另一個程式。
（A）一個程式從執行狀態變為等待狀態
（B）一個程式從執行狀態變為就緒狀態
（C）一個就緒狀態程式的優先順序降低
（D）一個程式執行完成而撤離系統
（E）一個就緒狀態程式的優先順序升高
【解析】當一個就緒狀態程式的優先順序降低時，不會引起處理機從一個程式轉到另一個程式。因此，不能選擇C，其
它情況都可能引起處理機在不同程式之間的轉換。所以，本題應該選擇（A）、（B）、（D）、（E）。
四、是非判斷題
1．程式之間的狀態變化，一定在PCB中反映出來。（正確）
2．當程式完成I/O後，程式的狀態由等待變為執行。（錯誤）
3．中斷遮蔽是不允許發生中斷。 （錯誤 ）
【解析】中斷遮蔽期間允許發生中斷，但暫時不響應。
4．Ｏ.Ｓ的特徵之一為並行性，所謂並行性是指多個程式同時處於執行狀態 （ 錯誤）
五、簡答題
1．設有三個程式A，B，C,程式A和程式B各需要執行3毫秒的處理器時間，而程式C卻要24毫秒的處理器時間，分別考慮當三個程式到達順序為A，B，C時及C，B，A時，用先來先服務進行排程時各自的平均等待時間。
【解析】當三個程式到達順序為A，B，C時，按照先來先服務的順序，程式A先佔用處理器，程式B需等待3毫秒後才能去佔用處理器，程式C在等待6毫秒的時間後可以佔用處理器。於是，它們的平均等待時間為（0＋3＋6）／3=3毫秒。如果程式是按 C,B,A的次序排入佇列，則程式C先佔用處理器執行24毫秒後才能讓程式B佔用，即程式B需等待24毫秒，而程式A在等了27毫秒後才可佔用處理器，現在這三個程式的平均等待時間為（27＋24＋0）/3=17毫秒。 7可見當執行時間長的程式先就緒的話，先來先服務演算法使系統效率受到影響。
2.引起“程式切換”的時機有哪些？
【解析】我們把處理機從一個程式轉到另一個程式稱為“程式切換”。引起“程式切換”的時機有以下幾種情況：
（1）一個程式從執行狀態變為等待狀態。
（2）一個程式從執行狀態變為就緒狀態。
（3）一個程式從等待狀態變為就緒狀態。
（4）一個程式執行完成而撤離系統。
3.程式控制塊（PCB）中應該包括哪些內容，其作用是什麼？
【解析】程式控制塊是用以記錄程式有關資訊的一塊主存，其中登記著諸如：程式標識、程式狀態、優先順序、中斷現場保
護區、所佔資源等資訊。它是由系統為每個程式分別建立的，並且在程式結束其生命期時由系統將相應的PCB撤消，
PCB是程式存在的標識。
4.程式在系統中有哪幾種基本狀態，狀態如何發生變化？
【解析】通常一個程式至少有三種不同的狀態：執行狀態、就緒狀態、等待狀態。
（1）執行狀態（Running）：當一個程式正在處理機上執行時，稱其處於執行狀態。
（2）就緒狀態（Ready）：當一個程式具備了執行條件，一旦獲得處理機即可執行，稱此程式處於就緒狀態。
（3）等待狀態（Blocked）：當一個程式由於等待某事件的發生（如I/O完成）而不能執行時，稱此程式處於等待狀態。
5.程式具有哪些基本特徵？
【解析】
（1）動態性：程式包含了程式及相應的資料集合，執行過程中其狀態處於不斷地變化。
（2）併發性：系統中各程式交替佔用CPU，它們是併發執行的。
（3）非同步性：各程式都以不可預知的速度向前推進。
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