第二章.进程的描述与控制：2.1前趋图和程序执行

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在早期未配置OS的系统和单批道处理系统中，程序的执行方式是顺序执行，即在内存中仅装入一道用户程序，由它独占系统中的所有资源，只有在一个用户程序执行完成后，才允许装入另一个程序并行执行。可见，这种方式浪费资源、系统运行效率低。

2.1.1 前趋图

为了更好地描述程序的顺序和并发执行情况，我们先介绍用于描述程序执行先后顺序的前趋图。所谓前趋图，是指一个有向无循环图，可记为DAG，它用于描述进程之间执行的先后顺序。图中的每个结点可用来表示一个进程或程序段，乃至一条语句，结点间的有向边则表示两个结点之间存在的偏序或前趋关系。

进程（或程序）之间的前趋关系可用“→”来表示，如果进程P_i和P_j存在着前趋关系，可表示为(P_i,P_j)∈→，也可以写成P_i→P_j，表示在P_j开始执行之前P_i必须完成。此时P_i是P_j的直接前趋，而称P_j是P_i的直接后继。

在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点，把没有后继的结点称为终止结点。此外，每个结点还具有一个重量，用于表示该结点所含有的程序量或程序的执行时间。

如上如所示的前趋图中，存在着如下前趋关系：

注意：

前趋图中是不允许有循环的，否则必然会产生不可能实现的前趋关系。如下图所示的前趋关系中就存在着循环。它一方面要求S3开始执行之前，S2必须完成，另一方面又要求在S2开始执行之前，S3必须完成。显然这种关系（S₂→S₃，S₃→S₂）是不可能实现的。

2.1.2 程序顺序执行

1. 程序的顺序执行

通常，一个应用程序由若干个程序段组成，每一个程序段完成特定的功能，它们在执行时，都需要按照某种先后次序顺序执行，仅当前一程序段执行完后，才运行后一程序段。

例如，在进行计算时，应先运行输入程序，用于输入用户的程序和数据；然后运行计算程序，对所输入的数据进行计算；最后才是运行打印程序，打印计算结果。我们用结点代表各程序段的操作，其中I代表输入操作，C代表计算操作，P为打印操作，用箭头指示操作的前后次序。上述的三个程序段间就存在着这样的前趋关系：I_i→C_i→P_i，其执行的顺序可以用如下前趋图描述：

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即使是一个程序段，也可能存在着执行顺序问题，下面示出了一个包含三条语句的程序段：

S₁：a:=x+y;

S₂：b=a-5;

S₃：c=b+1;

其中，语句S₂必须在语句S₁后（即a被赋值）才能执行，语句S₃也只能在b被赋值后才能执行，因此，三条语句存在着这样的前趋关系：S₁→S₂→S₃，应按如下前趋图顺序执行：

2. 程序顺序执行时的特征

1. 顺序性

   指处理机严格地按照程序所规定地顺序执行，即每一操作必须在下一操作开始之前结束。

2. 封闭性

   指程序在封闭地环境下运行，即程序运行时独占全机资源，资源的状态（除初始状态外）只有本程序才能改变它，程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。

3. 可再现性

   指只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿地执行，还是“走走停停”地执行，都可获得相同的结果。程序顺序执行时的这种特性，为程序员检测和矫正程序的错误带来了很大的方便。

2.1.3 程序并发执行

1. 程序的并发执行

例1：

在上文所述的输入程序、计算程序和打印程序三者之间，存在着I_i→C_i→P_i这样的前趋关系，以至于对一个作业的输入、计算和打印三个程序段必须顺序执行。但若是对一批作业进行处理时，每道作业的输入、计算和打印程序段的执行情况如下图所示：

由上图可以看出，存在着前趋关系I_i→C_i，I_i→I_i+1，C_i→P_i，C_i→C_i+1，P_i→P_i+1，而I_i+1和C_i及P_i-1是重叠的，即在P_i-1和C_i以及I_i+1之间，不存在前趋关系，可以并发执行。

例2：

对于具有下述四条语句的程序段：

S₁：a:=x+2

S₂：b:=y+4

S₃：c:=a+b

S₄：d:=c+b

可画出如下图所示的前趋关系。可以看出：S₃必须在a和b被赋值后方能执行；S₄必须在S₃之后执行；但S₁和S₂则可以并发执行，因为它们彼此互不依赖。

2. 程序并发执行时的特征

在引入了程序间的并发执行功能后，虽然提高了系统的吞吐量和资源利用率，但由于它们共享系统资源，以及它们为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间必将形成相互制约的关系，由此会给程序并发执行带来新的特征。

1. 间断性

   程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系。如下图中的I、C和P是三个相互合作的程序，当计算程序完成C_i-1的计算后，如果输入程序I_i尚未完成数据的输入，则计算程序C_i就无法进行数据处理，必须暂停运行。只有当程序暂停的因素消失后（如I_i已完成数据输入），计算程序C_i便可恢复执行。由此可见，相互制约将导致并发程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。

   

2. 失去封闭性

   当系统中存在着多个可以并发执行的程序时，系统中的各种资源将为它们所共享，而这些资源的状态也由这些程序来改变，致使其中任一程序在运行时，其环境都必然会受到其他程序的影响。例如，当处理机已被分配给某个程序运行时，其它程序必须等待。显然程序的运行已失去了封闭性。

3. 不可再现性

   程序在并发执行时，由于失去了封闭性，也将导致其又失去了可再现性。例如，由两个循环程序A和B，它们都共享一个变量N。程序A每执行一次时，都要做N=N+1操作；程序B每执行一次时，都要执行Print(N)操作，然后将N置成“0”。程序A和B以不同的速度运行。这样，可能出现下述三种情况（假定某时刻变量N的值为n）：①N=N+1在Print(N)和N=0之前，此时得到的N值分别为n+1，n+1，0。②N=N+1在Print(N)和N=0之后，此时得到的N值分别为n，0，1。③N=N+1在Print(N)和N=0之间，此时得到的N值分别为n，n+1，0。

   上述情况说明，程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果必将与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性。换而言之，程序经过多次执行之后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。

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参考资料：《计算机操作系统(第四版)》—— 汤小丹等。