• 多程序影象定義
• 多程序影象存在於計算機使用始終
• 多程序影象
• 多程序的組織：PCB+狀態+佇列
  • 程序的五狀態模型
  • 多程序影象的靈魂：程序交替
• 多程序之間相互影響
• 多程序之間的合作

多程序影象定義

• 啟動了的程式就是程序，一次可以啟動多個程式，即多個程序交替推進
• 每啟動一個程序，作業系統就會用一個專門的結構體PCB來實時記錄這個程序，並按照合理的順序推進程序（分配資源、進行排程）
• 以上即多程序影象

多程序影象存在於計算機使用始終

• 計算機啟動過程中，最後是執行main.c函式進行一系列的初始化，並最後有一條指令if(!fork()){init();}建立了第一個程序（某種意義上是第二個，main.c是第一個吧），即啟動了shell，shell本身也是個程序。在windows中是啟動桌面。當然現在很多的linux系統也是有桌面的。
• 通過shell程序再啟動其他程序
  
• 計算機使用過程中，shell是始終存在的，因此多程序影象始終存在。

多程序影象

• 首先每個程序在記憶體中的實體就是PCB，Process Control Block，程序控制塊，這是一個C語言結構體
• 一個程序正在執行時，其對應的PCB實時記錄該程序的有關資訊
  
• 記憶體中特定位置存放著一個就緒佇列，佇列中的的元素是各個程序的PCB結構體，CPU按照就緒佇列中PCB對應的位置來執行相應程序
  
• 在記憶體特定位置還有等待佇列，這些佇列中的PCB對應程序因為還在等待某個硬體裝置而沒法執行，等獲得該裝置之後會進入到就緒佇列中，等待磁碟的就是磁碟等待佇列，等待印表機應該有印表機等待佇列，等待佇列有很多個
  

多程序的組織：PCB+狀態+佇列

程序的五狀態模型

多程序影象的靈魂：程序交替

• 以磁碟讀寫為例子
  
  1. pCur即當前執行程序的PCB，當其啟動磁碟讀寫時，將PCB放到DiskWaitQueue，即磁碟等待佇列，此時程序pCur進入阻塞態
  2. 執行schedule()函式，執行程序切換
  3. schedule()函式首先從就緒佇列ReadyQueue中進行取出下一個需要執行的程序，這一過程（getNext）即程序排程
  4. schedule()中先儲存當前程序的的相關狀態資訊，然後開始執行新的程序
• 程序交替三個部分：佇列操作+程序排程+切換
  • 程序排程內容很多，經典方法比如FIFO和優先順序佇列等。
  • 程序切換主要內容兩部分，一是儲存當前cpu的狀態，二是切換下一個程序。這一塊需要用匯編實現，因為涉及到各個暫存器的精確控制，C語言無法實現精確控制。

多程序之間相互影響

• 為了實現多程序影象，很多個程序的PCB必須都放到記憶體中，因為只有在記憶體中才能實現取指執行，但是如果都在記憶體中的話，當前程序的程式碼可能會訪問其他程序的程式碼或資料所在的段，那麼就可能破壞其他程序，為了解決這個問題，就需要多程序的地址空間分離，這是記憶體管理的主要內容。
• 通過對映表實現程序隔離
  
  • 主要思想是每個程序都有自己的對映表，當程序1和程序2同時訪問地址100時，實際上通過各自的對映表對映到的實體地址是不同的，這樣就不會相互影響。

多程序之間的合作

• 典型問題如生產者-消費者問題，生產者程序往一塊記憶體空間中扔資料，消費者程序從中取資料
  
  • 之所以需要程序合作，是因為cpu的時間片輪轉是不確定的，即可能生產者的程式還沒執行完就進行了程序排程，切換到了消費者程序，然後導致各種混亂。
  • 解決方式是使用鎖，生產者程序對共享資源上鎖，直到程式執行完再解鎖，如果在生產者程式執行完之前就切換到了消費者程序，由於鎖的存在，消費者程序是沒法取資料的，必須等待生產者程序先執行完。
• 為什麼需要多程序之間的合作呢？本質原因是因為cpu對於多程序是無序推進的，而由於某些合作程序必須是有序的，因此要採取上鎖等措施使得多程序之間有序推進。