《进程控制块PCB》课件

进程控制块PCB进程控制块PCB是操作系统中最重要的数据结构之一。它包含了进程运行所需的全部信息，是操作系统管理和控制进程的唯一依据。PCB的定义和功能定义进程控制块（PCB）是操作系统用来管理进程的重要数据结构。它包含了进程运行所需的所有信息，如进程标识、状态、内存地址等。功能PCB作为操作系统管理进程的桥梁，为进程的创建、切换、调度、同步等提供必要的管理信息。同时，PCB也是操作系统进行进程控制和资源管理的依据。PCB的作用进程管理操作系统通过PCB来识别、管理和控制进程，例如创建、撤销、挂起和恢复进程。资源分配PCB保存了进程所需要的各种资源信息，例如内存、文件、外设等，方便操作系统进行分配和回收。进程调度PCB记录了进程的状态、优先级等信息，为操作系统选择下一个执行的进程提供参考。进程通信PCB中保存了进程间通信的信息，例如管道、消息队列、共享内存等，方便进程之间进行数据交换。PCB包含的信息进程标识符唯一标识一个进程，例如进程ID(PID)。进程状态表示进程当前所处的状态，例如运行、就绪、阻塞。程序计数器(PC)记录程序执行的下一条指令的地址。CPU寄存器保存程序执行过程中需要的各种信息，例如累加器、指令寄存器等。PCB的五大组成部分1进程标识符一个唯一的标识符，用于区分不同的进程。2进程状态描述了进程当前所处的状态，例如运行、就绪、阻塞。3程序段包含了进程执行的指令序列，存储在内存中。4数据段存储了进程运行时所需的各种数据，包括变量、常量等。PCB的状态就绪状态进程已准备好运行，等待分配CPU时间片。运行状态进程正在使用CPU，执行指令。阻塞状态进程等待某个事件发生，例如I/O完成或资源可用。就绪队列就绪队列包含所有已经准备好的进程，等待系统分配CPU资源。就绪队列中的进程可以立即执行。1等待CPU就绪状态2分配CPU运行状态3等待资源阻塞状态等待队列1等待状态进程处于等待状态，表示它正在等待某个事件的发生，例如I/O操作完成或其他资源可用。2队列结构等待队列是一个FIFO（先进先出）队列，用于存储处于等待状态的进程。当事件发生时，队列中的第一个进程被唤醒并进入就绪状态。3事件触发当等待的事件发生时，系统会将等待该事件的进程从等待队列中移除，并将其放入就绪队列，等待调度器分配CPU时间。阻塞队列阻塞队列是一种线程安全的队列，它允许线程等待队列中有可用元素或空间。1阻塞队列线程等待2队列空线程阻塞3队列满线程阻塞当线程试图从一个空队列中获取元素时，它将被阻塞，直到队列中有元素可用为止。当线程试图向一个满队列中添加元素时，它将被阻塞，直到队列中有空间可用为止。进程调度算法算法概述进程调度算法用于选择下一个要执行的进程，确保系统资源的有效利用。算法分类常见的进程调度算法包括先来先服务(FCFS)、短作业优先(SJF)、最高响应比优先(HRN)、时间片轮转(RR)等。目标好的进程调度算法能够提高系统吞吐量，缩短平均等待时间，以及保证公平性。先来先服务(FCFS)11.概述先来先服务调度算法是最简单的调度算法之一，它按照进程到达系统的顺序进行调度。22.原理当一个进程到达系统时，它将被加入到就绪队列的末尾，等待调度器分配CPU。33.优点简单易懂，实现方便，公平性好。44.缺点可能导致短进程等待时间过长，效率不高。短作业优先(SJF)优先调度算法短作业优先(SJF)调度算法是一种非抢占式调度算法，它选择最短的作业优先执行。算法特点SJF算法可以有效地减少平均等待时间，但可能会导致长作业长时间等待。应用场景SJF算法适用于那些作业执行时间较短，而且需要快速完成的任务。最高响应比优先(HRN)HRN算法最高响应比优先算法是一种非抢占式算法，主要用于批处理系统中。该算法根据作业的响应比进行排序，选择响应比最大的作业先执行。响应比响应比定义为：等待时间+服务时间/服务时间。响应比越大，说明该作业越需要尽快执行，否则等待时间会更长。时间片轮转(RR)公平性每个进程都获得一定的时间片，保证了进程之间的公平性。轮流执行进程轮流使用CPU，避免某个进程长时间占用CPU，提高系统吞吐量。响应时间对于交互式进程，时间片轮转算法能够提供更快的响应速度。上下文切换频繁的上下文切换会增加系统开销，影响系统性能。PCB的状态转换创建当系统创建新进程时，会为其分配一个PCB，并将该PCB置于就绪队列中。就绪进程已准备好运行，等待CPU资源分配，处于就绪队列中。运行进程正在使用CPU资源，执行其代码，处于运行状态。等待进程正在等待某个事件发生，例如输入输出操作完成，处于等待队列中。阻塞进程由于某种原因被阻塞，例如等待资源，处于阻塞队列中。终止进程完成执行或因错误而终止，其PCB将被回收。创建进程时的PCB初始化创建进程时，需要为新进程分配一个PCB，并将PCB中的各个字段初始化。1分配内存为PCB分配内存空间，确保足够容纳所需信息。2设置进程ID为进程分配一个唯一的进程标识符。3初始化状态将进程状态设置为就绪态，等待调度执行。4设置优先级为进程分配初始优先级，可用于调度决策。初始化完成后，该PCB就代表了这个新创建的进程，并被加入系统中的进程列表。进程切换时的PCB保存与恢复进程切换是指将CPU控制权从一个正在运行的进程转移到另一个进程，在进程切换过程中需要保存当前进程的运行状态，以便在该进程下次获得CPU时间片时能够继续运行。1保存上下文将当前进程的寄存器、程序计数器、堆栈指针等状态信息保存到PCB中。2更新PCB状态将当前进程的PCB状态修改为就绪状态或其他状态。3加载上下文将要运行的进程的PCB中保存的上下文信息加载到寄存器和内存中。保存PCB的目的是为了在进程切换之后能够恢复其运行状态，而恢复PCB的目的是为了让进程能够继续执行。进程终止时的PCB回收释放资源进程终止时，需要释放其占用的所有系统资源，例如内存、文件、设备等。清除PCB将进程控制块从系统中删除，并将其占用的内存空间释放。更新系统状态更新系统中的进程信息，例如进程数量、资源使用情况等。PCB的链接方式链表每个PCB作为链表中的一个节点。使用指针链接各个PCB，方便动态地添加、删除和查找。数组将PCB存储在连续的内存空间中，通过索引访问。适合静态分配和管理PCB。混合方式结合链表和数组的优点，例如使用链表组织就绪队列，使用数组组织其他状态的PCB。链表和数组的优缺点比较链表的优点动态分配内存，可根据需要灵活调整大小插入和删除操作效率更高数组的优点访问元素速度快，直接通过索引访问内存分配连续，适合存储顺序结构数据PCB的组织方式集中式管理所有进程的PCB都存储在一个全局的PCB表中。方便系统统一管理，但效率较低，尤其在多处理器系统中。分散式管理每个进程的PCB都存储在该进程所在的内存空间中，可以提高效率，但系统管理更复杂。集中式管理11.管理方便集中式管理简化了系统管理，降低了复杂度，提高效率。22.资源共享所有进程共享同一个PCB池，方便资源分配和管理，提高资源利用率。33.安全性高集中管理可以有效地控制对PCB的访问，确保系统安全，防止数据被篡改或丢失。44.扩展性差系统扩展性受到限制，当系统规模较大时，管理效率会降低，系统性能也会下降。分散式管理PCB分布式管理每个进程的PCB存储在与该进程关联的处理器或节点上。避免了集中式管理中的内存瓶颈和单点故障问题。优势提高系统可靠性和可用性。减少了PCB的存储压力。PCB的管理策略11.静态管理静态管理是指在系统启动时为每个进程分配固定的PCB空间，之后不再改变。22.动态管理动态管理是指根据需要动态地分配和回收PCB空间，可以更有效地利用系统资源。33.混合管理混合管理是指将静态管理和动态管理结合起来，既能保证系统的稳定性，又能提高资源利用率。静态管理概念在系统启动时，为每个进程分配固定大小的PCB，进程创建后，PCB的大小固定不变。优点实现简单，容易理解，便于系统管理。缺点空间利用率低，当有大量进程时，可能会导致内存空间不足。适用场景适用于进程数量较少、系统资源相对充足的场景。动态管理灵活分配系统根据需要动态创建或销毁进程控制块，避免浪费资源。提高效率允许同时运行多个进程，提高系统资源利用率。节省空间系统可以根据实际需要分配PCB大小，避免浪费内存。内存管理可采用虚拟内存技术，实现对进程地址空间的动态管理。PCB管理的注意事项效率和性能PCB管理直接影响着操作系统的效率和性能，需要权衡存储空间和内存访问时间。安全性和可靠性PCB包含了进