《操作系統(tǒng)原理》第二章進程管理

《操作系統(tǒng)原理》第二章進程管理contents目錄進程管理概述進程創(chuàng)建與終止進程同步與互斥進程通信機制線程概念及多線程模型進程調度算法01進程管理概述進程概念及特性進程定義進程是計算機程序關于數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進行資源分配和調度的基本單位。進程特性動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性、異步性、結構性。就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)、阻塞狀態(tài)、創(chuàng)建狀態(tài)、終止狀態(tài)。就緒→執(zhí)行、執(zhí)行→阻塞、阻塞→就緒、執(zhí)行→終止等。進程狀態(tài)與轉換進程轉換進程狀態(tài)記錄進程的外部特征，描述進程的運動變化過程，系統(tǒng)利用PCB來控制和管理進程。PCB作用進程標識符、處理機狀態(tài)、進程調度信息、進程控制信息。PCB內容進程控制塊PCB進程是系統(tǒng)資源分配的基本單位，通過對進程的管理，實現(xiàn)對CPU、內存、I/O設備等資源的合理分配和使用。資源管理通過對進程的有效調度和管理，提高系統(tǒng)的吞吐量和響應速度，改善系統(tǒng)性能。系統(tǒng)效率進程管理有助于防止死鎖和饑餓等問題的發(fā)生，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)穩(wěn)定性合理的進程管理可以提供更好的用戶體驗，如快速響應、平滑運行等。用戶體驗進程管理重要性02進程創(chuàng)建與終止創(chuàng)建方式進程可以通過系統(tǒng)調用、用戶請求、作業(yè)調度或父進程創(chuàng)建等方式來創(chuàng)建新的進程。其中，系統(tǒng)調用是最常用的方式之一。創(chuàng)建步驟創(chuàng)建一個新進程通常需要以下步驟：申請空白PCB（進程控制塊）；為新進程分配資源；初始化PCB；將新進程插入就緒隊列。進程創(chuàng)建方式及步驟終止條件進程終止的條件包括正常結束（如任務完成、程序執(zhí)行完畢等）和異常結束（如發(fā)生錯誤、接收到特定信號等）。處理方式當進程終止時，操作系統(tǒng)需要進行相應的處理，包括回收進程所占用的資源、撤銷進程的PCB以及將相關信息保存在系統(tǒng)日志中等。進程終止條件及處理孤兒進程是指父進程先于子進程結束，此時子進程將成為孤兒進程。為了避免孤兒進程對系統(tǒng)資源造成浪費，操作系統(tǒng)通常會將其父進程設置為init進程（或類似的系統(tǒng)級進程），由init進程來負責回收孤兒進程所占用的資源。孤兒進程僵尸進程是指子進程已經(jīng)結束，但其父進程尚未回收其PCB等資源，導致該子進程仍然留在系統(tǒng)中占用一定的資源。為了避免僵尸進程對系統(tǒng)的影響，父進程需要在子進程結束后及時回收其資源，或者通過信號機制等方式來通知父進程進行資源回收。僵尸進程孤兒進程與僵尸進程問題例子：創(chuàng)建和終止一個進程在Unix/Linux系統(tǒng)中，可以使用fork()系統(tǒng)調用來創(chuàng)建一個新進程。fork()函數(shù)會復制當前進程的PCB等資源，并在新進程中返回0，而在原進程中返回新進程的PID。通過fork()函數(shù)可以方便地創(chuàng)建一個與當前進程幾乎完全相同的子進程。創(chuàng)建進程在Unix/Linux系統(tǒng)中，可以使用exit()系統(tǒng)調用來終止一個進程。exit()函數(shù)會向父進程發(fā)送一個信號，通知父進程進行資源回收等操作，并釋放當前進程所占用的資源。同時，exit()函數(shù)還可以返回一個狀態(tài)碼給父進程，以便父進程了解子進程的退出狀態(tài)。終止進程03進程同步與互斥并發(fā)進程中與共享變量有關的程序段稱為臨界區(qū)。臨界區(qū)定義多個進程同時進入臨界區(qū)會導致數(shù)據(jù)不一致和錯誤。臨界區(qū)問題如Peterson算法，通過進程間相互通信和協(xié)作實現(xiàn)互斥。軟件方法利用特殊硬件指令實現(xiàn)互斥，如Test-and-Set指令。硬件方法臨界區(qū)問題及解決方案信號量定義一個整型變量，用于表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量。應用場景用于實現(xiàn)進程間的同步和互斥，如生產者-消費者問題、讀者-寫者問題等。信號量操作P操作（申請資源）和V操作（釋放資源）。信號量機制原理與應用生產者-消費者問題01生產者和消費者共享一個緩沖區(qū)，生產者將產品放入緩沖區(qū)，消費者從緩沖區(qū)取出產品消費。需要保證生產者在緩沖區(qū)滿時等待，消費者在緩沖區(qū)空時等待。讀者-寫者問題02多個進程共享一個數(shù)據(jù)文件，分為讀者和寫者兩類。讀者只讀取文件不修改，寫者需要修改文件。需要保證多個讀者可以同時讀取文件，但寫者在修改文件時需要獨占訪問。哲學家進餐問題03五個哲學家圍坐在圓桌旁，思考和進餐交替進行。每個哲學家之間有一只筷子，進餐時需要拿起左右兩只筷子。需要保證不會出現(xiàn)死鎖情況。經(jīng)典同步問題剖析利用信號量實現(xiàn)生產者-消費者問題設置三個信號量empty、full和mutex，分別表示緩沖區(qū)空閑位置數(shù)量、緩沖區(qū)產品數(shù)量和互斥鎖。生產者在生產產品前需要等待empty大于0，然后申請mutex鎖；生產完成后釋放mutex鎖并增加full的值。消費者在消費產品前需要等待full大于0，然后申請mutex鎖；消費完成后釋放mutex鎖并增加empty的值。利用管程實現(xiàn)生產者-消費者問題管程是一種特殊的軟件模塊，用于管理共享資源并提供一組操作來訪問這些資源。生產者和消費者進程通過調用管程中的過程來實現(xiàn)同步和互斥。管程內部包含了一個緩沖區(qū)及相關的操作過程，如insert和remove等。生產者和消費者通過調用這些過程來訪問緩沖區(qū)。例子：生產者消費者問題實現(xiàn)04進程通信機制多個進程共享一塊內存區(qū)域，進程間通過讀寫共享內存實現(xiàn)信息交換。原理優(yōu)點缺點應用場景通信速度快，適合大量數(shù)據(jù)傳輸。需要同步機制防止數(shù)據(jù)沖突，編程復雜度高。適用于需要大量數(shù)據(jù)交換的進程間通信。共享內存通信方式原理優(yōu)點缺點應用場景消息傳遞通信方式進程間通過發(fā)送和接收消息進行通信，消息包含固定格式的數(shù)據(jù)和控制信息。通信效率較低，不適合大量數(shù)據(jù)傳輸。編程接口簡單，易于實現(xiàn)進程同步。適用于需要較少數(shù)據(jù)交換但需要同步的進程間通信。原理管道是一種半雙工的通信方式，數(shù)據(jù)只能單向流動，通常用于父子進程間的通信。優(yōu)點簡單易用，適合父子進程間通信。缺點只能單向通信，且只能在有親緣關系的進程間使用。應用場景適用于父子進程間的簡單數(shù)據(jù)交換。管道通信原理及應用場景父進程創(chuàng)建管道，并調用fork()創(chuàng)建子進程。01例子：使用管道實現(xiàn)父子進程通信父進程向管道寫入數(shù)據(jù)，子進程從管道讀取數(shù)據(jù)。02子進程處理數(shù)據(jù)后，將結果寫回管道，父進程讀取結果并輸出。03父子進程通過管道實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換和同步。04注意事項：在讀寫管道時需要考慮進程同步和阻塞問題，避免死鎖和數(shù)據(jù)丟失。0505線程概念及多線程模型線程定義線程是進程中的一個實體，是CPU調度和分派的基本單位，它擁有獨立的運行環(huán)境和棧空間，但共享進程的資源。線程與進程比較線程比進程更輕量級，創(chuàng)建、銷毀和切換速度更快；多個線程共享進程的地址空間和資源，通信和數(shù)據(jù)共享更方便；但線程的獨立性較差，一個線程的崩潰可能影響整個進程。線程定義及屬性比較123多個用戶級線程映射到一個內核級線程，線程管理在用戶空間完成，效率較高但無法利用多核處理器。多對一模型一個用戶級線程映射到一個內核級線程，線程管理在內核空間完成，可以充分利用多核處理器但開銷較大。一對一模型多個用戶級線程映射到多個內核級線程，結合了前兩種模型的優(yōu)點，但實現(xiàn)復雜度較高。多對多模型多線程模型介紹VS多個線程需要按照某種順序協(xié)調地訪問共享資源，以避免出現(xiàn)競態(tài)條件。常見的同步機制包括信號量、互斥鎖、條件變量等?；コ鈫栴}多個線程在訪問共享資源時，需要保證同一時間只有一個線程在訪問，以避免數(shù)據(jù)不一致?；コ饪梢酝ㄟ^互斥鎖、讀寫鎖等機制實現(xiàn)。同步問題線程間同步與互斥問題并行計算概述并行計算是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復雜的計算問題。要點一要點二多線程在并行計算中的應用多線程可以實現(xiàn)任務并行化，將一個大任務分解成多個小任務并分配給多個線程同時執(zhí)行，從而提高計算效率。例如，在矩陣乘法、圖像處理等領域，多線程可以顯著提高計算速度。例子：使用多線程實現(xiàn)并行計算06進程調度算法調度層次高級調度（作業(yè)調度）、中級調度（內存調度）、低級調度（進程調度）調度目標CPU利用率、系統(tǒng)吞吐量、周轉時間、等待時間、響應時間等調度層次和調度目標短作業(yè)優(yōu)先（SJF）優(yōu)先調度運行時間短的進程，可以縮短平均等待時間，但需要預知進程運行時間。時間片輪轉（RR）將CPU時間劃分為時間片，輪流分配給各個進程，保證每個進程都能得到響應，適用于分時系統(tǒng)。優(yōu)先級調度根據(jù)進程的優(yōu)先級進行調度，可以靈活控制進程的執(zhí)行順序，但需要合理設置優(yōu)先級。先來先服務（FCFS）按照進程到達的先后順序進行調度，簡單易實現(xiàn)，但平均等待時間較長。常見調度算法原理及特點算法性能評價指標系統(tǒng)吞吐量等待時間單位時間內完成作業(yè)的數(shù)量。進程在就緒隊列中等待的時間。CPU利用率周轉時間響應時間CPU處于忙碌狀態(tài)的時間占總時間的比例。從作業(yè)提交到作業(yè)完成的時間間隔。從用戶發(fā)出請求到系統(tǒng)首次產生響應的時間。假設有4個進程，每個進程需要運行的時間分別為2、4、1、3個時間單位，使用時間片輪轉調度算法進行調度，時間片設為1個時間單位。按照進程到達的順序，將進程放入就緒隊列中。每個時間片內，選擇隊首進程執(zhí)行，執(zhí)行完畢后將其從隊列中移除，并計算該進程的等待時間和