《进程基本概念》课件

进程基本概念进程是操作系统中的基本概念，也是计算机科学的重要基础之一。理解进程的概念有助于理解操作系统的工作机制，以及程序的执行方式。进程的定义进程的定义进程是程序的一次执行过程。程序本身只是一组指令序列，而进程则是这些指令的执行过程。进程的本质进程是资源分配和调度的基本单位。操作系统通过进程管理进程，并为每个进程分配资源，如内存空间、CPU时间片等。进程的特性独立运行每个进程都拥有独立的地址空间、数据和资源，相互之间不会干扰。并发性多个进程可以同时运行，利用多核处理器或时间片轮转机制，提高系统效率。动态性进程可以被创建、撤销、挂起和激活，动态调整系统资源分配。进程的状态运行状态进程正在CPU上运行，执行指令，占用系统资源。就绪状态进程已准备好运行，但CPU被其他进程占用，等待分配CPU。阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成，资源获取成功。终止状态进程执行完成或遇到错误而结束，释放资源。进程的生命周期1创建进程创建过程。2就绪等待CPU资源。3运行正在执行代码。4阻塞等待资源或事件。5终止进程结束生命周期。进程的生命周期是一个连续过程，从创建到终止，并在此期间经历多个状态转换。进程控制块进程信息进程控制块（PCB）是操作系统用来管理进程的重要数据结构。它包含了进程的标识、状态、资源、优先级和其他信息。进程状态PCB中保存着进程的当前状态，例如运行、就绪、阻塞。操作系统根据进程的状态来管理进程的调度和执行。资源分配PCB记录了进程所使用的资源，例如内存、文件、I/O设备等。操作系统根据PCB中的信息来分配资源给进程。进程通信PCB中也包含了进程通信的信息，例如消息队列、共享内存等。操作系统通过PCB来管理进程之间的通信。进程表11.存储进程信息包含进程ID、进程状态、优先级、内存地址等信息。22.进程管理的关键操作系统使用进程表来管理所有正在运行的进程。33.查找和调度操作系统使用进程表快速查找和调度进程。进程调度调度目标进程调度器负责选择一个就绪进程，并将它分配到CPU上执行。调度目标包括：系统吞吐量、CPU利用率、响应时间、周转时间等。调度算法常用的调度算法包括：先来先服务、最短作业优先、优先级调度、轮转调度、多级反馈队列调度等。不同算法适用于不同的场景，需要根据系统需求选择合适的算法。调度策略调度策略包括：抢占式调度和非抢占式调度。抢占式调度是指，当一个高优先级进程就绪时，可以立即抢占正在运行的低优先级进程的CPU。进程切换1保存上下文保存当前进程的CPU寄存器和内存状态2加载上下文加载下一个要执行的进程的CPU寄存器和内存状态3切换程序计数器将CPU的程序计数器指向下一个进程的起始地址进程切换是指操作系统从一个正在运行的进程切换到另一个进程的过程。这是一种重要的机制，它允许操作系统在多个进程之间共享CPU资源。系统调用11.系统调用定义系统调用是用户程序与操作系统内核之间的接口，允许用户程序请求内核提供的服务。22.系统调用目的实现用户程序对系统资源的访问，并保护操作系统内核的安全。33.系统调用实现通过中断机制或陷阱机制，用户程序向内核发送系统调用请求。44.系统调用类型包括文件操作、进程管理、内存管理、设备管理等。系统调用类型进程管理创建、终止、暂停、恢复进程文件管理创建、删除、打开、关闭文件设备管理分配、释放设备通信管理进程间通信系统调用实现1用户程序请求用户程序发起系统调用请求，例如打开文件、创建进程等。2陷阱机制通过陷阱指令将控制权转移到内核，进入内核态。3内核处理内核根据请求类型，执行相应的系统调用处理函数。4返回结果内核处理完成后，将结果返回给用户程序，并恢复用户态。进程同步资源共享多个进程需要共享同一个资源，例如打印机、文件等。避免数据不一致或错误，需要协调进程对共享资源的访问。相互合作多个进程需要相互协作才能完成任务，例如生产者-消费者模型。需要确保进程之间按照一定的顺序进行操作，防止死锁或资源竞争。进程同步问题竞争条件多个进程同时访问共享资源，结果取决于进程的执行顺序，可能会导致不一致或错误。死锁多个进程互相等待对方释放资源，导致所有进程都无法继续执行。数据一致性多个进程对共享数据进行操作，可能会导致数据不一致，例如重复写入或丢失数据。临界区共享资源临界区是指一段代码，这段代码访问共享资源。多个进程可能会同时访问这段代码，导致数据不一致。互斥访问为了避免数据竞争，必须确保任何时候只有一个进程可以访问临界区，其他进程必须等待。同步机制操作系统使用各种同步机制来实现互斥访问，例如信号量、管程等。互斥11.互斥访问多个进程共享资源时，任何时刻只有一个进程可以访问该资源。22.保护临界区临界区是代码段，包含对共享资源的访问操作。33.互斥机制确保临界区每次只允许一个进程访问的机制。44.互斥实现可使用信号量、管程等机制实现互斥访问。信号量信号量机制信号量是一种同步机制，用于控制对共享资源的访问。信号量是一个整数，表示可用的资源数量。当进程需要使用资源时，它会递减信号量；当进程释放资源时，它会递增信号量。信号量操作信号量有两个主要操作：wait()和signal()。wait()操作会递减信号量，如果信号量为负，则进程会被阻塞。signal()操作会递增信号量，如果存在被阻塞的进程，则唤醒一个进程。信号量应用信号量可以用于实现各种同步任务，例如互斥、生产者-消费者问题和读者-写者问题。管程数据结构包含共享数据和操作这些数据的过程。同步机制确保一次只有一个进程可以访问共享数据。进程间通信提供进程间通信的机制。死锁死锁概述死锁是指两个或多个进程因互相等待对方占有的资源而无法继续执行的状态。死锁会导致系统性能下降、资源浪费甚至崩溃。死锁的必要条件互斥条件资源只能被一个进程独占使用。如果没有满足互斥条件，则系统中就不会发生死锁。占有并请求条件进程已经占有了至少一个资源，但又请求了另一个被其他进程占有的资源。不可剥夺条件进程已经占有的资源在没有完成任务之前不能被其他进程抢占。如果该条件不满足，则可以将被抢占资源分配给其他进程，从而避免死锁。循环等待条件存在一个封闭的进程循环，每个进程都在等待循环中下一个进程所持有的资源。死锁的预防11.互斥条件确保每个资源在同一时间只被一个进程使用。22.占有并等待条件进程必须释放已占有的资源才能请求其他资源。33.非抢占条件进程不能强行夺取其他进程正在占有的资源。44.循环等待条件打破进程之间对资源的循环等待关系。死锁的避免银行家算法银行家算法是一种资源分配算法，旨在通过对进程的资源需求进行预先分析，避免系统进入死锁状态。资源分配图资源分配图是一种图形化工具，用于描述系统中进程和资源之间的关系，帮助识别潜在的死锁。安全状态安全状态是指系统处于一种状态，在该状态下，可以按照某种顺序分配所有可用的资源，从而避免死锁。死锁的检测与解决死锁检测检测死锁需要定期检查系统中每个进程的资源占用情况，分析是否存在循环等待关系。死锁恢复死锁发生后，需要采取措施来解除死锁，常用的方法包括撤销进程、抢占资源、回滚操作。选择策略选择最优的死锁恢复策略需要考虑因素包括进程重要性、资源占用情况、回滚代价等。进程通信消息队列进程之间通过发送和接收消息来进行通信，消息存储在队列中，提供异步通信机制。套接字通信利用网络协议，例如TCP/IP，在网络连接的进程之间实现数据传输。共享内存进程之间共享一段内存空间，可以直接读写数据，提高通信效率。管道通信管道概念管道是一种简单的进程间通信机制，允许进程通过一个共享的管道进行数据交换。管道类型管道分为无名管道和命名管道，无名管道只能用于具有亲缘关系的进程间通信，命名管道则可以用于任何进程间通信。管道机制管道通信通常通过系统调用实现，进程可以通过读写管道进行数据交换，类似于文件读写操作。消息队列消息队列的定义消息队列是进程间通信的一种方式。它允许进程之间通过传递消息进行通信，而不必直接进行交互。每个消息队列都有一个唯一的标识符，用于区分不同的消息队列。消息队列的优势消息队列可以实现异步通信，发送者不需要等待接收者处理消息，就可以继续执行。消息队列可以实现解耦，发送者和接收者不必直接耦合，它们之间通过消息队列进行通信。共享内存11.高效数据交换进程间直接访问内存，速度快，效率高，适合数据量大、访问频繁的情况。22.数据共享多个进程共享同一块内存，方便进程之间进行数据交换，无需复制数据。33.复杂同步机制共享内存需要使用信号量、互斥锁等机制确保数据的一致性，实现同步访问。44.竞争访问问题多个进程访问同一块内存时，可能会出现数据竞争问题，需要进行同步控制。信号量信号量是一种同步机制它用于协调多个进程对共享资源的访问。信号量是一种整数值它表示可用的资源数量。信号量操作P操作：减少信号量值，如果值小于0，则进程阻塞V操作：增加信号量值，如果值小于或等于0，则唤醒一个阻塞进程套接字