并发执行与进程管理：从顺序到并行

"程序的并发执行及其特征-操作系统进程管理" 在操作系统中，进程管理是核心功能之一，它涉及到了程序的并发执行以及由此产生的各种特性。并发执行是现代多任务操作系统的基础，允许多个程序段在同一时间间隔内交替执行，提高了系统资源的利用率。 **2.1 进程的基本概念** 前趋图是一种描述进程之间执行顺序的工具，它由有向边连接的节点组成，代表了进程间的依赖关系。例如，如果P1到P2有一条边，则表示P1必须先于P2执行。前趋图可以是无环的，也可以包含环，如图2-2所示，其中展示了不同的执行顺序和依赖关系。 **2.2 进程控制** 进程控制涉及到创建、撤销和改变进程状态的操作，以确保系统资源的有效利用和进程的正确执行。操作系统通过进程控制块（PCB）来管理和跟踪进程的状态。 **2.3 线程** 线程是进程内的一个执行单元，允许在一个进程中同时执行多个线程，进一步提高了并发性和系统效率。相比于进程，线程间的通信和资源共享更为便捷。 **2.4 进程同步** 进程同步是控制并发进程间协调执行的过程，确保关键区不被多个进程同时访问，以避免数据竞争和其他并发问题。 **2.5 进程通信** 进程通信机制使得进程间能够交换信息，如通过管道、消息队列、共享内存等方式进行数据传输，以便协作完成任务。 **2.6 进程调度** 进程调度负责选择就绪队列中的进程分配CPU，根据调度算法（如先来先服务、短作业优先等）决定进程的执行顺序。 **2.7 死锁** 死锁是指两个或多个进程相互等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行的情况。预防和检测死锁是操作系统设计中的重要课题。 **程序的并发执行特征** **3.1 间断性** 并发执行的程序会因为调度而中断执行，然后在稍后的时刻恢复，这与顺序执行的连续性不同。 **3.2 失去封闭性** 由于资源的共享和时间片轮转，进程的执行结果可能受到其他进程的影响，导致封闭性丧失，即相同的程序在相同的初始条件下运行可能得到不同的结果。 **3.3 可再现性降低** 由于并发执行的不确定性，即使环境和初始条件相同，程序执行的结果也不一定可再现。 **并发执行例一和例二** 例如，在并发执行例一中，程序段S1、S2、S3、S4涉及到变量a、b和c的计算。在并发环境中，这些操作可能会交错执行，导致最终结果取决于执行的具体顺序。例如，S1和S2可以并行执行，但S3依赖于S1和S2的结果，因此S3的执行必须在S1和S2之后。同样，在例二中，通过前趋关系图可以分析出各个操作的执行顺序和并行可能性。 **并发执行表示方式** 可以使用前趋图、Petri网或其他图形工具来表示并发执行的关系，便于理解和分析。 进程管理中的并发执行带来了效率提升，但同时也引入了挑战，如同步、通信和死锁问题，需要操作系统精心设计和管理。理解并发执行的特性是理解和设计高效操作系统的关键。