進(jìn)程的描述與控制課件

進(jìn)程的描述與控制課件進(jìn)程的基本概念進(jìn)程的描述方法進(jìn)程的控制機(jī)制進(jìn)程的同步與通信死鎖與饑餓問題進(jìn)程的優(yōu)化與性能評(píng)估目錄CONTENTS01進(jìn)程的基本概念進(jìn)程定義：進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程特征獨(dú)立性：進(jìn)程是一個(gè)獨(dú)立的功能單元，可以單獨(dú)運(yùn)行或與其他進(jìn)程并行運(yùn)行。動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的，可以根據(jù)需要終止或掛起。并發(fā)性：多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)并發(fā)操作。資源占用性：進(jìn)程在執(zhí)行過程中會(huì)占用計(jì)算機(jī)中的各種資源，如CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等。進(jìn)程的定義與特征進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程在執(zhí)行過程中會(huì)經(jīng)歷三種狀態(tài)，分別是就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程狀態(tài)之間可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程等待某個(gè)事件時(shí)，它可以從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為阻塞狀態(tài)；當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，它可以從阻塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)；當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)度到該進(jìn)程時(shí)，它可以從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)程的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換一個(gè)進(jìn)程可以通過調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用或用戶程序來創(chuàng)建其他進(jìn)程。進(jìn)程創(chuàng)建當(dāng)一個(gè)進(jìn)程完成了它的任務(wù)或出現(xiàn)異常時(shí)，它會(huì)被終止。在操作系統(tǒng)中，一般通過發(fā)送一個(gè)信號(hào)來終止一個(gè)進(jìn)程。進(jìn)程終止進(jìn)程的創(chuàng)建與終止02進(jìn)程的描述方法進(jìn)程在系統(tǒng)中具有三種狀態(tài)，分別是就緒狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)。進(jìn)程狀態(tài)每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符（PID），用于區(qū)分不同的進(jìn)程。進(jìn)程標(biāo)識(shí)符PCB是進(jìn)程在系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它記錄了進(jìn)程的狀態(tài)信息、資源占用情況以及相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用信息等。進(jìn)程控制塊PCB進(jìn)程的堆棧結(jié)構(gòu)包括程序計(jì)數(shù)器、棧指針以及棧中的局部變量和函數(shù)調(diào)用信息等。堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)程映像與堆棧結(jié)構(gòu)PCB通常包括進(jìn)程狀態(tài)信息、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)、進(jìn)程執(zhí)行的起始地址和結(jié)束地址、進(jìn)程占用的資源情況以及相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用信息等。PCB組成PCB是進(jìn)程在系統(tǒng)中存在的唯一標(biāo)志，系統(tǒng)通過PCB對(duì)進(jìn)程進(jìn)行管理和控制。PCB作用PCB通常存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并由操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。PCB存儲(chǔ)方式進(jìn)程控制塊PCB調(diào)度算法常見的調(diào)度算法包括先來先服務(wù)（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級(jí)調(diào)度（PS）等。進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度是操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，負(fù)責(zé)管理和控制進(jìn)程的執(zhí)行順序。切換過程進(jìn)程切換包括保存當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行上下文、加載新進(jìn)程的執(zhí)行上下文以及開始執(zhí)行新進(jìn)程等步驟。進(jìn)程調(diào)度與切換03進(jìn)程的控制機(jī)制通過系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新的進(jìn)程，并能夠終止指定進(jìn)程。創(chuàng)建與終止進(jìn)程進(jìn)程的阻塞與喚醒進(jìn)程的切換能夠使進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，并在適當(dāng)時(shí)候喚醒進(jìn)程。能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)程之間的切換，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。030201進(jìn)程控制原語是操作系統(tǒng)提供給應(yīng)用程序的接口，用于訪問操作系統(tǒng)的底層功能。當(dāng)系統(tǒng)收到中斷信號(hào)時(shí)，會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。系統(tǒng)調(diào)用與中斷處理中斷處理系統(tǒng)調(diào)用在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，創(chuàng)建進(jìn)程控制塊，并初始化其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建進(jìn)程控制塊在進(jìn)程生命周期中，維護(hù)進(jìn)程控制塊的數(shù)據(jù)，確保其準(zhǔn)確性和完整性。維護(hù)進(jìn)程控制塊當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，釋放其占用的資源，并釋放進(jìn)程控制塊。釋放進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊的操作04進(jìn)程的同步與通信進(jìn)程同步是一種協(xié)調(diào)多個(gè)進(jìn)程執(zhí)行順序的機(jī)制，以確保它們能夠正確地共享資源、避免競爭條件和死鎖等問題。進(jìn)程同步的概念進(jìn)程同步通過使用信號(hào)量、互斥量、條件變量等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。其中，信號(hào)量是一種用于控制多個(gè)進(jìn)程訪問共享資源的同步變量；互斥量是一種用于實(shí)現(xiàn)互斥訪問共享資源的同步變量；條件變量是一種用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的條件等待和通知的同步變量。進(jìn)程同步的機(jī)制進(jìn)程同步的概念與機(jī)制管道通信消息隊(duì)列通信共享內(nèi)存通信套接字通信進(jìn)程間的通信方式消息隊(duì)列通信是一種在進(jìn)程之間傳遞消息的通信方式，它可以在不同進(jìn)程之間傳遞數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息。共享內(nèi)存通信是一種高效的通信方式，它通過將共享內(nèi)存映射到不同進(jìn)程的地址空間來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通信。套接字通信是一種基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通信方式，它可以在不同主機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信。管道通信是一種單向的、字節(jié)流的通信方式，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)傳輸。管道通信包括匿名管道和命名管道兩種方式。信號(hào)量信號(hào)量是一個(gè)整數(shù)值，它用于控制多個(gè)進(jìn)程訪問共享資源的同步變量。信號(hào)量通常被用來實(shí)現(xiàn)資源的計(jì)數(shù)、互斥訪問、進(jìn)程同步等操作。互斥量互斥量是一種用于實(shí)現(xiàn)互斥訪問共享資源的同步變量。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程獲得了一個(gè)互斥量后，其他進(jìn)程就不能再獲得該互斥量，直到該進(jìn)程釋放了互斥量。這樣可以避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問共享資源而引起的競爭條件和死鎖問題。信號(hào)量與互斥量05死鎖與饑餓問題VS死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過程中，因爭奪資源而造成的一種相互等待的現(xiàn)象，若無外力干涉它們都將無法繼續(xù)執(zhí)行。產(chǎn)生條件1)互斥條件：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)進(jìn)程使用；2)請(qǐng)求與保持條件：一個(gè)進(jìn)程因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)，對(duì)已獲得的資源保持不放；3)不剝奪條件：已經(jīng)分配的資源，未使用完之前不能強(qiáng)行剝奪；4)環(huán)路等待條件：系統(tǒng)中若干個(gè)進(jìn)程形成一種頭尾相接的環(huán)路，每個(gè)進(jìn)程都在等待下一個(gè)進(jìn)程所占有的資源。死鎖的概念死鎖的概念與產(chǎn)生條件避免產(chǎn)生死鎖的措施：1)按順序獲取資源：每個(gè)進(jìn)程必須以一種不允許引起死鎖的順序來請(qǐng)求資源；2)為系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)“銀行家”：為系統(tǒng)中的進(jìn)程設(shè)置一個(gè)“銀行家”，由它來管理和分配系統(tǒng)中的資源，以避免發(fā)生死鎖；3)檢測并解除死鎖：在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)檢測機(jī)構(gòu)，隨時(shí)檢查系統(tǒng)是否處于死鎖狀態(tài)，如果是，則解除死鎖；4)避免“忙等待”：即當(dāng)進(jìn)程不能獲得它所需的資源時(shí)，應(yīng)將自身置于睡眠狀態(tài)，而不是忙等待。死鎖的預(yù)防與避免如果一個(gè)進(jìn)程在無限時(shí)間內(nèi)不能得到它所需要的資源，則稱該進(jìn)程發(fā)生了饑餓。饑餓的概念1)按先后順序分配資源：這是一種非搶占方式，系統(tǒng)中有一個(gè)隊(duì)列來記錄進(jìn)程的先后順序，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程獲得了它所需要的所有資源后，才能執(zhí)行；2)短作業(yè)優(yōu)先：這種方法是按照進(jìn)程的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間來分配資源，從而避免長作業(yè)長期占據(jù)資源而使短作業(yè)得不到執(zhí)行的情況；3)優(yōu)先級(jí)調(diào)度：給每個(gè)進(jìn)程賦予一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程可以獲得資源；4)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)：將系統(tǒng)中的所有進(jìn)程按照到達(dá)時(shí)間的先后排成一個(gè)隊(duì)列，每次分配給隊(duì)首進(jìn)程一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)該進(jìn)程執(zhí)行完這個(gè)時(shí)間片的任務(wù)后，就出隊(duì)，繼續(xù)等待下一次的分配。解決饑餓的方法饑餓問題的解決方法06進(jìn)程的優(yōu)化與性能評(píng)估根據(jù)進(jìn)程的重要性和緊迫性，確定進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，以便在調(diào)度時(shí)優(yōu)先執(zhí)行高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和吞吐量。進(jìn)程優(yōu)先級(jí)針對(duì)不同的系統(tǒng)環(huán)境和需求，采用不同的調(diào)度算法進(jìn)行優(yōu)化，如短作業(yè)優(yōu)先、輪轉(zhuǎn)法、優(yōu)先級(jí)調(diào)度等，以實(shí)現(xiàn)公平、高效、穩(wěn)定的進(jìn)程調(diào)度。調(diào)度算法優(yōu)化進(jìn)程優(yōu)先級(jí)與調(diào)度算法優(yōu)化資源利用率通過合理分配和利用系統(tǒng)資源，使每個(gè)進(jìn)程都能獲得足夠的資源來執(zhí)行任務(wù)，避免出現(xiàn)資源饑餓或浪費(fèi)的情況。負(fù)載均衡通過合理安排進(jìn)程的運(yùn)行順序和執(zhí)行時(shí)間，使系統(tǒng)負(fù)載分布更加均衡，避免出現(xiàn)負(fù)載過高或過低的情況，提高系統(tǒng)整體性能和響應(yīng)速度。進(jìn)程資源利用率與負(fù)載均衡采用不同的性能評(píng)估方法，如基準(zhǔn)測試、監(jiān)視器分析、