《操作系统》第2章进程管理

《操作系统》第2章进程管理CATALOGUE目录进程管理概述进程创建与终止进程同步与互斥进程通信机制线程概念及多线程模型调度算法与性能评价01进程管理概述进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。进程具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等特点。进程由程序段、数据段和进程控制块（PCB）三部分组成。进程概念及特点进程的基本状态包括就绪状态、执行状态和阻塞状态。进程状态转换包括就绪到执行、执行到就绪、执行到阻塞和阻塞到就绪等几种情况。进程状态转换由操作系统内核中的进程调度程序完成。进程状态与转换PCB中通常包含进程标识符、处理器状态信息、进程调度信息、进程控制信息以及内存管理信息等。操作系统通过PCB来感知进程的存在，并对进程进行控制和管理。进程控制块（PCB）是进程存在的唯一标志，包含了进程的描述信息和控制信息。进程控制块PCB010204进程管理重要性进程管理是操作系统中最基本、最重要的功能之一。进程管理实现了多道程序并发执行，提高了系统资源的利用率和系统吞吐量。进程管理有效地组织了系统资源，保证了系统的稳定性和可靠性。进程管理为用户提供了方便、高效的程序执行环境。0302进程创建与终止进程可以通过系统调用、用户请求、父进程创建或操作系统初始化等方式来创建。其中，系统调用是最常用的方式，用户程序通过调用操作系统提供的创建进程的API来实现。创建方式创建一个新进程通常需要以下步骤：申请空白PCB（进程控制块）；为新进程分配资源；初始化PCB；将新进程插入就绪队列。在创建过程中，还需要考虑进程同步、通信以及资源共享等问题。创建步骤进程创建方式及步骤进程终止条件及处理进程终止的条件包括正常结束（如任务完成、程序退出等）和异常结束（如越界错误、保护错误、非法指令、特权指令错误等）。当进程达到终止条件时，操作系统会对其进行相应的处理。终止条件对于正常结束的进程，操作系统会回收其占用的资源并释放PCB；对于异常结束的进程，操作系统会进行错误处理，如保存现场信息、通知用户并进行相应的善后处理。此外，为了防止进程长时间占用系统资源，操作系统还会设置进程的最大执行时间，当进程超过该时间仍未结束时，操作系统会强制终止该进程。处理方式孤儿进程孤儿进程是指父进程已经结束，而子进程还在运行的进程。由于父进程已经结束，子进程失去了父进程的监管和状态信息，因此操作系统需要对其进行特殊处理。通常，操作系统会将孤儿进程的父进程设置为init进程（或类似的系统级进程），由init进程来负责回收孤儿进程占用的资源。要点一要点二僵尸进程僵尸进程是指子进程已经结束，但父进程尚未回收其PCB的进程。由于子进程的PCB仍然占用系统资源，如果父进程不及时回收，会导致资源浪费和系统性能下降。因此，操作系统需要采取措施来避免僵尸进程的产生。通常，可以通过信号机制或进程等待机制来通知父进程回收子进程的PCB。孤儿进程与僵尸进程问题案例描述假设有一个用户程序需要创建一个子进程来完成某项任务，任务完成后子进程需要退出并将结果返回给父进程。父进程在接收到子进程的结果后也需要退出。创建过程首先，用户程序通过系统调用向操作系统申请创建一个新进程。操作系统为新进程分配资源并初始化PCB，将新进程插入就绪队列。然后，父进程通过进程通信机制将任务信息传递给子进程。终止过程当子进程完成任务后，它会向父进程发送一个信号表示任务已经完成，并释放自己占用的资源。父进程在接收到子进程的信号后，会回收子进程的PCB并释放相应的资源。最后，父进程也退出并释放自己占用的资源。案例分析：创建与终止过程03进程同步与互斥

同步与互斥概念辨析进程同步指多个进程在执行次序上的协调，以保证对共享资源的正确访问以及进程之间的高效协作。进程互斥指多个进程在访问临界资源时，应采用互斥方式，即一次只允许一个进程访问临界资源，以便防止发生与时间有关的错误。同步与互斥的关系互斥是同步的一种特殊情况，即逐个访问共享资源；同步则更为复杂，需要考虑进程之间的执行顺序和协作关系。P、V操作P操作表示申请资源，V操作表示释放资源。进程通过执行P、V操作来改变信号量的值，从而实现进程间的同步与互斥。信号量的定义信号量是一个整数值，用于表示系统中某种资源的数量或状态，其值仅由操作系统进行修改。信号量机制的实现操作系统提供了一组系统调用，用于创建、初始化和操作信号量。进程在访问共享资源前，应先执行P操作；在访问完共享资源后，应执行V操作。信号量机制实现同步互斥通过设置一个互斥信号量和一个同步信号量，实现生产者和消费者之间的同步与互斥，避免生产者盲目生产或消费者等待消费的情况。生产者-消费者问题通过设置一个互斥信号量和多个整型变量，实现对共享资源的访问控制，保证读者和写者之间的正确访问顺序。读者-写者问题通过为每个哲学家设置一个状态标志和一个互斥信号量，实现哲学家之间的同步与互斥，避免死锁的发生。哲学家进餐问题经典同步问题解决方法死锁预防算法01通过破坏死锁产生的四个必要条件（互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件和环路等待条件）中的至少一个，来预防死锁的发生。死锁避免算法02在资源分配过程中，通过预测和判断是否会发生死锁，从而避免死锁的发生。常见的死锁避免算法有银行家算法等。死锁检测算法03允许死锁的发生，但系统会定期检测是否存在死锁，并在检测到死锁时采取相应措施进行解除。常见的死锁检测算法有资源分配图算法等。死锁预防、避免和检测算法04进程通信机制定义与原理优点缺点应用场景共享内存通信方式01020304共享内存允许多个程序访问同一块内存空间，进程可以即时获取其他进程的计算结果。实现简单，通信效率高，适合大量数据传输。需要同步机制，易产生数据冲突和一致性问题。适用于需要频繁通信和大量数据交换的场景。定义与原理优点缺点应用场景消息传递通信方式进程间通过发送和接收消息进行通信，消息包含发送者、接收者和数据等信息。通信效率较低，可能产生消息丢失或延迟等问题。通信过程清晰，易于管理和维护，适合分布式系统。适用于需要跨平台、跨语言或跨网络进行通信的场景。管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，允许多个进程按序访问管道。定义与原理简单易用，适合父子进程间通信。优点只能单向通信，不适合复杂场景。缺点适用于父子进程间传递简单数据的场景，如命令行输出重定向等。应用场景管道通信原理及应用场景比较共享内存、消息传递和管道三种通信方式在不同场景下的应用效果。案例描述案例分析结论总结从通信效率、数据安全性、易用性和可维护性等方面进行分析。根据案例分析结果，总结不同通信方式的优缺点和适用场景，为实际应用提供参考。030201案例分析：不同通信方式比较05线程概念及多线程模型线程是进程中的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。线程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态，并且状态之间可以相互转换。线程拥有独立的栈和程序计数器，但共享进程的资源，如内存空间、文件句柄等。线程的创建、撤销和切换等操作比进程更快，因此更适合用于并发执行。01020304线程定义及属性特点由用户空间库支持的线程，内核并不知道线程的存在。用户级线程的创建、撤销和切换等操作都由用户程序自己完成。用户级线程由内核直接支持的线程，内核会维护线程的信息并进行调度。内核级线程的创建、撤销和切换等操作都需要内核的参与。内核级线程结合了用户级线程和内核级线程的优点，既能够快速地创建和切换线程，又能够利用多核处理器实现真正的并行执行。混合线程模型多线程模型分类介绍通过设置一个整型变量来表示资源的数量，并使用PV操作来管理资源的分配和释放。信号量机制互斥锁机制条件变量机制读写锁机制通过互斥锁来保证同一时间只有一个线程可以访问共享资源，从而避免竞争条件的发生。通过条件变量来实现线程之间的等待和唤醒操作，从而协调多个线程的执行顺序。针对读多写少的场景，读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。线程间同步与互斥问题解决方法通过多线程并发执行，可以充分利用多核处理器的计算能力，提高程序的执行效率。提高程序执行效率通过多线程可以实现异步操作，避免程序的阻塞和等待，提高用户体验。实现异步操作多线程可以将复杂的问题分解为多个简单的子问题，并分配给不同的线程并发执行，从而简化编程模型。简化编程模型多线程可以充分发挥多核处理器的优势，实现真正的并行计算和处理。发挥多核处理器优势案例分析：多线程应用优势06调度算法与性能评价高级调度（作业调度）、中级调度（内存调度）、低级调度（进程调度）调度层次批处理系统调度算法、交互式系统调度算法、实时系统调度算法调度算法分类调度层次和调度算法分类常见调度算法原理及性能评价先来先服务（FCFS）算法按照进程到达的先后顺序进行调度，简单易实现，但平均等待时间较长，不利于短进程。短进程优先（SPF）算法优先调度执行时间短的进程，可降低平均等待时间，但可能导致长进程长时间等待，且需要预估进程执行时间。高优先权优先（HPP）算法根据进程优先权进行调度，可灵活调整系统性能，但需要合理设置进程优先权，避免饥饿现象。时间片轮转（RR）算法将时间划分为固定大小的时间片，按时间片轮流调度进程，可保证系统响应时间，但时间片大小设置不当可能导致系统效率下降。静态优先级调度根据任务预先设定的优先级进行调度，优先级高的任务优先执行。根据任务紧迫性和执行情况进行动态调整优先级，以满足实时性要求。根据任务截止时间进行调度，截止时间最早的任务优先执行。根据任务剩余时间和所需执行时间计算松弛度，松弛度最低的任务优先执行。动态优先级调度最早截止时间优先（EDF）算法最低松弛度优先（LLF）算法实时系统调度策略ABC