计算机操作系统中的进程管理

计算机操作系统中的进程管理演讲人：日期：CATALOGUE目录进程管理概述进程描述与控制进程同步与通信进程调度算法死锁预防、检测与解除线程概念及应用进程管理概述01进程定义独立性异步性结构性并发性动态性进程是操作系统中进行资源分配和调度的基本单位，它是程序的执行过程，具有动态性、并发性、独立性、异步性和结构性等基本特征。进程是程序的执行过程，具有生命周期，因创建而产生，因调度而执行，因等待资源或事件而被阻塞，因完成任务而被撤销。多个进程实体同存于内存中，能在一段时间内同时运行。引入进程的目的就是为了使程序能与其他进程的程序并发执行，以改善资源利用率和提高系统吞吐量。进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。每个进程都配置一个PCB对其进行描述，从结构上看，进程由程序段、数据段及PCB组成。进程定义与特性进程与程序关系进程与程序关系进程更能真实地描述并发，而程序不能只有在建立了进程后才可以并发执行。进程具有创建其他进程的功能，而程序没有在采用多道程序技术设计的系统中，往往先启动一个然后激活其他程序运行。不同的进程可以包含同一程序只要该程序所对应的数据集不同。进程和程序的组成不同进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）。就绪状态当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU，便可立即执行，进程这时的状态就称为就绪状态。在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，称为就绪队列。执行状态指进程已获得CPU，其程序正在执行。在单处理机系统中，只有一个进程处于执行状态；在多处理机系统中，则有多个进程处于执行状态。阻塞状态正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，亦即程序的执行受到阻塞，把这种暂停状态称为阻塞状态，有时也称为等待状态或封锁状态。进程状态及转换进程描述与控制02进程控制块PCB是进程存在的唯一标识，包含进程的描述信息和控制信息。PCB中通常包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息和进程控制信息等内容。PCB的组织方式有链接方式和索引方式两种，链接方式将同一状态的PCB链接成一个队列，索引方式则是根据进程状态的不同建立几张索引表。进程控制块PCB进程创建创建一个新进程需要为其分配唯一的进程标识符，并申请必要的资源，如内存空间、I/O设备等。同时，需要初始化PCB中的相关信息，如进程状态、优先级等。进程终止当进程完成其任务或发生异常时，需要终止该进程并释放其占用的资源。终止进程时需要将其从所在队列中移除，并回收其占用的资源。进程创建与终止当进程需要等待某个事件发生（如I/O操作完成）时，它会将自己阻塞并放入等待队列中。阻塞原语会将进程状态设置为阻塞态，并将其PCB插入到相应事件的等待队列中。进程阻塞当等待的事件发生时，相应的唤醒原语会被执行，将等待队列中的进程唤醒。唤醒后的进程将被放入就绪队列中，等待处理机分配。同时，需要修改PCB中的相关信息，如进程状态、等待事件等。进程唤醒进程阻塞与唤醒进程同步与通信03临界区问题多个进程同时访问共享资源时，可能会导致数据不一致或资源访问冲突的问题。互斥锁通过加锁机制确保同一时间只有一个进程能够访问临界区资源。信号量使用信号量机制对临界区资源进行计数和访问控制。原子操作通过硬件或软件实现的操作原子性，确保临界区代码在执行过程中不会被中断。临界区问题及解决方法信号量与PV操作信号量一个整型变量，用于表示可用资源的数量。P操作（Proberen，尝试）请求资源，将信号量减1，若信号量小于0则进程阻塞。V操作（Verhogen，增加）释放资源，将信号量加1，若信号量小于等于0则唤醒等待队列中的一个进程。信号量与PV操作在进程同步中的应用实现进程间的互斥与同步，保证对共享资源的正确访问。通过信号量和PV操作实现生产者和消费者之间的同步，避免生产者生产过多产品而消费者消费不及的情况。生产者-消费者问题五个哲学家围坐在圆桌旁，思考并进餐。需要确保任意时刻只有一个哲学家能够拿起左右两边的筷子，避免死锁和资源浪费。哲学家进餐问题允许多个读者同时读取数据，但只允许一个写者写入数据。需要确保读者和写者之间的同步，以及写者之间的互斥。读者-写者问题经典同步问题解析进程调度算法04调度基本概念操作系统中的进程调度是指按照某种策略和原则，将处理机分配给就绪队列中的一个进程，以执行其任务。进程调度是操作系统核心功能之一，直接影响系统性能。调度分类根据调度的发生时间、频率和范围，可以将进程调度分为长程调度（作业调度）、中程调度（内存调度）和短程调度（CPU调度）。调度基本概念及分类先来先服务（FCFS）：按照进程到达的先后顺序进行调度，简单易实现，但可能导致长作业等待时间过长。短作业优先（SJF）：根据进程预计运行时间进行调度，优先执行预计运行时间短的进程，有利于提高系统吞吐量，但需要预知进程运行时间。优先级调度：为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先获得处理机。可以根据进程类型、资源需求等因素设置优先级。时间片轮转（RR）：将CPU时间划分为固定长度的时间片，每个进程分配一个时间片。当时间片用完时，进程被切换到就绪队列末尾等待下一个时间片。该算法兼顾了短作业和长作业的需求，但可能导致一定的上下文切换开销。常见调度算法介绍算法原理：多级反馈队列调度算法结合了优先级调度、时间片轮转等多种算法的思想。它将就绪队列划分为多个不同优先级的队列，每个队列采用不同的调度策略和时间片长度。进程根据其行为和需求被分配到不同优先级的队列中。优点：该算法能够动态调整进程的优先级和时间片长度，以适应不同负载和进程行为的变化。它既能保证短作业的快速响应，又能避免长作业的长时间等待。同时，通过优先级调整和时间片长度的动态变化，可以在一定程度上实现公平性和效率之间的平衡。实现方式：多级反馈队列调度算法的实现需要维护多个不同优先级的队列，并为每个队列设置相应的调度策略和时间片长度。当进程创建或状态发生变化时，根据其历史行为和当前需求将其放入合适的队列中。在调度过程中，首先选择优先级最高的非空队列进行调度，若存在多个相同优先级的队列，则按照某种规则（如FCFS或SJF）选择其中一个进行调度。多级反馈队列调度算法死锁预防、检测与解除05死锁定义01死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法向前推进。竞争资源02当系统中供多个进程共享的资源如打印机、公用队列等，其数目不足以满足诸进程的需要时，会引起诸进程对资源的竞争而产生死锁。进程间推进顺序非法03进程在运行过程中，请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致产生进程死锁。死锁定义及产生原因破坏“请求和保持”条件第一种方法静态地分配资源，从而剥夺了进程对资源的请求权利，因此破坏了“请求”条件。第二种方法规定了当进程请求资源得不到满足时，它必须释放已经占有的所有资源，从而破坏了“保持”条件。破坏“不剥夺”条件当某进程请求的资源得不到满足时，便释放已占有的资源。破坏“环路等待”条件系统将所有资源按类型进行线性排队，并赋予不同的序号，所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的顺序提出，从而破坏了“环路等待”条件。死锁预防策略死锁检测：为了能对系统是否已经发生了死锁进行检测，必须提供一种算法，利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态。死锁解除：当发现有进程死锁后，便应立即把它从死锁状态中解脱出来，永久性地撤销进程或暂时地把它挂起，盘点资源使用情况，确定资源的占用情况。用一种数据结构来保存资源的请求和分配信息；死锁检测与解除方法线程概念及应用06线程是操作系统中进行运算调度的最小单位，它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。线程定义线程具有就绪、阻塞和运行三种基本状态，并具有就绪状态、执行状态和阻塞状态之间的转换关系。线程还具有许多属性，如线程ID、线程状态、优先级、栈指针、程序计数器等。线程属性线程定义及属性123用户级线程在用户空间实现，不依赖于操作系统核心，应用开发者可以自由控制线程的创建、同步和调度等。用户级线程内核级线程由操作系统内核管理和调度，线程的创建、同步和切换等都需要内核的支持。内核级线程混合实现方式结合了用户级线程和内核级线程的特点，既可以利用用户级线程的灵活性，又可以获得内核级线程的高效性。混合实现方式