《進(jìn)程基本概念》課件

進(jìn)程基本概念進(jìn)程是操作系統(tǒng)中的基本概念，也是計算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)之一。理解進(jìn)程的概念有助于理解操作系統(tǒng)的工作機(jī)制，以及程序的執(zhí)行方式。進(jìn)程的定義進(jìn)程的定義進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程。程序本身只是一組指令序列，而進(jìn)程則是這些指令的執(zhí)行過程。進(jìn)程的本質(zhì)進(jìn)程是資源分配和調(diào)度的基本單位。操作系統(tǒng)通過進(jìn)程管理進(jìn)程，并為每個進(jìn)程分配資源，如內(nèi)存空間、CPU時間片等。進(jìn)程的特性獨立運行每個進(jìn)程都擁有獨立的地址空間、數(shù)據(jù)和資源，相互之間不會干擾。并發(fā)性多個進(jìn)程可以同時運行，利用多核處理器或時間片輪轉(zhuǎn)機(jī)制，提高系統(tǒng)效率。動態(tài)性進(jìn)程可以被創(chuàng)建、撤銷、掛起和激活，動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)資源分配。進(jìn)程的狀態(tài)運行狀態(tài)進(jìn)程正在CPU上運行，執(zhí)行指令，占用系統(tǒng)資源。就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備好運行，但CPU被其他進(jìn)程占用，等待分配CPU。阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個事件發(fā)生，例如I/O操作完成，資源獲取成功。終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程執(zhí)行完成或遇到錯誤而結(jié)束，釋放資源。進(jìn)程的生命周期1創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建過程。2就緒等待CPU資源。3運行正在執(zhí)行代碼。4阻塞等待資源或事件。5終止進(jìn)程結(jié)束生命周期。進(jìn)程的生命周期是一個連續(xù)過程，從創(chuàng)建到終止，并在此期間經(jīng)歷多個狀態(tài)轉(zhuǎn)換。進(jìn)程控制塊進(jìn)程信息進(jìn)程控制塊（PCB）是操作系統(tǒng)用來管理進(jìn)程的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它包含了進(jìn)程的標(biāo)識、狀態(tài)、資源、優(yōu)先級和其他信息。進(jìn)程狀態(tài)PCB中保存著進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)，例如運行、就緒、阻塞。操作系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的狀態(tài)來管理進(jìn)程的調(diào)度和執(zhí)行。資源分配PCB記錄了進(jìn)程所使用的資源，例如內(nèi)存、文件、I/O設(shè)備等。操作系統(tǒng)根據(jù)PCB中的信息來分配資源給進(jìn)程。進(jìn)程通信PCB中也包含了進(jìn)程通信的信息，例如消息隊列、共享內(nèi)存等。操作系統(tǒng)通過PCB來管理進(jìn)程之間的通信。進(jìn)程表11.存儲進(jìn)程信息包含進(jìn)程ID、進(jìn)程狀態(tài)、優(yōu)先級、內(nèi)存地址等信息。22.進(jìn)程管理的關(guān)鍵操作系統(tǒng)使用進(jìn)程表來管理所有正在運行的進(jìn)程。33.查找和調(diào)度操作系統(tǒng)使用進(jìn)程表快速查找和調(diào)度進(jìn)程。進(jìn)程調(diào)度調(diào)度目標(biāo)進(jìn)程調(diào)度器負(fù)責(zé)選擇一個就緒進(jìn)程，并將它分配到CPU上執(zhí)行。調(diào)度目標(biāo)包括：系統(tǒng)吞吐量、CPU利用率、響應(yīng)時間、周轉(zhuǎn)時間等。調(diào)度算法常用的調(diào)度算法包括：先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)調(diào)度、多級反饋隊列調(diào)度等。不同算法適用于不同的場景，需要根據(jù)系統(tǒng)需求選擇合適的算法。調(diào)度策略調(diào)度策略包括：搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度。搶占式調(diào)度是指，當(dāng)一個高優(yōu)先級進(jìn)程就緒時，可以立即搶占正在運行的低優(yōu)先級進(jìn)程的CPU。進(jìn)程切換1保存上下文保存當(dāng)前進(jìn)程的CPU寄存器和內(nèi)存狀態(tài)2加載上下文加載下一個要執(zhí)行的進(jìn)程的CPU寄存器和內(nèi)存狀態(tài)3切換程序計數(shù)器將CPU的程序計數(shù)器指向下一個進(jìn)程的起始地址進(jìn)程切換是指操作系統(tǒng)從一個正在運行的進(jìn)程切換到另一個進(jìn)程的過程。這是一種重要的機(jī)制，它允許操作系統(tǒng)在多個進(jìn)程之間共享CPU資源。系統(tǒng)調(diào)用11.系統(tǒng)調(diào)用定義系統(tǒng)調(diào)用是用戶程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口，允許用戶程序請求內(nèi)核提供的服務(wù)。22.系統(tǒng)調(diào)用目的實現(xiàn)用戶程序?qū)ο到y(tǒng)資源的訪問，并保護(hù)操作系統(tǒng)內(nèi)核的安全。33.系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)通過中斷機(jī)制或陷阱機(jī)制，用戶程序向內(nèi)核發(fā)送系統(tǒng)調(diào)用請求。44.系統(tǒng)調(diào)用類型包括文件操作、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理等。系統(tǒng)調(diào)用類型進(jìn)程管理創(chuàng)建、終止、暫停、恢復(fù)進(jìn)程文件管理創(chuàng)建、刪除、打開、關(guān)閉文件設(shè)備管理分配、釋放設(shè)備通信管理進(jìn)程間通信系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)1用戶程序請求用戶程序發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用請求，例如打開文件、創(chuàng)建進(jìn)程等。2陷阱機(jī)制通過陷阱指令將控制權(quán)轉(zhuǎn)移到內(nèi)核，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)。3內(nèi)核處理內(nèi)核根據(jù)請求類型，執(zhí)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)。4返回結(jié)果內(nèi)核處理完成后，將結(jié)果返回給用戶程序，并恢復(fù)用戶態(tài)。進(jìn)程同步資源共享多個進(jìn)程需要共享同一個資源，例如打印機(jī)、文件等。避免數(shù)據(jù)不一致或錯誤，需要協(xié)調(diào)進(jìn)程對共享資源的訪問。相互合作多個進(jìn)程需要相互協(xié)作才能完成任務(wù)，例如生產(chǎn)者-消費者模型。需要確保進(jìn)程之間按照一定的順序進(jìn)行操作，防止死鎖或資源競爭。進(jìn)程同步問題競爭條件多個進(jìn)程同時訪問共享資源，結(jié)果取決于進(jìn)程的執(zhí)行順序，可能會導(dǎo)致不一致或錯誤。死鎖多個進(jìn)程互相等待對方釋放資源，導(dǎo)致所有進(jìn)程都無法繼續(xù)執(zhí)行。數(shù)據(jù)一致性多個進(jìn)程對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，例如重復(fù)寫入或丟失數(shù)據(jù)。臨界區(qū)共享資源臨界區(qū)是指一段代碼，這段代碼訪問共享資源。多個進(jìn)程可能會同時訪問這段代碼，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。互斥訪問為了避免數(shù)據(jù)競爭，必須確保任何時候只有一個進(jìn)程可以訪問臨界區(qū)，其他進(jìn)程必須等待。同步機(jī)制操作系統(tǒng)使用各種同步機(jī)制來實現(xiàn)互斥訪問，例如信號量、管程等。互斥11.互斥訪問多個進(jìn)程共享資源時，任何時刻只有一個進(jìn)程可以訪問該資源。22.保護(hù)臨界區(qū)臨界區(qū)是代碼段，包含對共享資源的訪問操作。33.互斥機(jī)制確保臨界區(qū)每次只允許一個進(jìn)程訪問的機(jī)制。44.互斥實現(xiàn)可使用信號量、管程等機(jī)制實現(xiàn)互斥訪問。信號量信號量機(jī)制信號量是一種同步機(jī)制，用于控制對共享資源的訪問。信號量是一個整數(shù)，表示可用的資源數(shù)量。當(dāng)進(jìn)程需要使用資源時，它會遞減信號量；當(dāng)進(jìn)程釋放資源時，它會遞增信號量。信號量操作信號量有兩個主要操作：wait()和signal()。wait()操作會遞減信號量，如果信號量為負(fù)，則進(jìn)程會被阻塞。signal()操作會遞增信號量，如果存在被阻塞的進(jìn)程，則喚醒一個進(jìn)程。信號量應(yīng)用信號量可以用于實現(xiàn)各種同步任務(wù)，例如互斥、生產(chǎn)者-消費者問題和讀者-寫者問題。管程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含共享數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的過程。同步機(jī)制確保一次只有一個進(jìn)程可以訪問共享數(shù)據(jù)。進(jìn)程間通信提供進(jìn)程間通信的機(jī)制。死鎖死鎖概述死鎖是指兩個或多個進(jìn)程因互相等待對方占有的資源而無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。死鎖會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降、資源浪費甚至崩潰。死鎖的必要條件互斥條件資源只能被一個進(jìn)程獨占使用。如果沒有滿足互斥條件，則系統(tǒng)中就不會發(fā)生死鎖。占有并請求條件進(jìn)程已經(jīng)占有了至少一個資源，但又請求了另一個被其他進(jìn)程占有的資源。不可剝奪條件進(jìn)程已經(jīng)占有的資源在沒有完成任務(wù)之前不能被其他進(jìn)程搶占。如果該條件不滿足，則可以將被搶占資源分配給其他進(jìn)程，從而避免死鎖。循環(huán)等待條件存在一個封閉的進(jìn)程循環(huán)，每個進(jìn)程都在等待循環(huán)中下一個進(jìn)程所持有的資源。死鎖的預(yù)防11.互斥條件確保每個資源在同一時間只被一個進(jìn)程使用。22.占有并等待條件進(jìn)程必須釋放已占有的資源才能請求其他資源。33.非搶占條件進(jìn)程不能強(qiáng)行奪取其他進(jìn)程正在占有的資源。44.循環(huán)等待條件打破進(jìn)程之間對資源的循環(huán)等待關(guān)系。死鎖的避免銀行家算法銀行家算法是一種資源分配算法，旨在通過對進(jìn)程的資源需求進(jìn)行預(yù)先分析，避免系統(tǒng)進(jìn)入死鎖狀態(tài)。資源分配圖資源分配圖是一種圖形化工具，用于描述系統(tǒng)中進(jìn)程和資源之間的關(guān)系，幫助識別潛在的死鎖。安全狀態(tài)安全狀態(tài)是指系統(tǒng)處于一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，可以按照某種順序分配所有可用的資源，從而避免死鎖。死鎖的檢測與解決死鎖檢測檢測死鎖需要定期檢查系統(tǒng)中每個進(jìn)程的資源占用情況，分析是否存在循環(huán)等待關(guān)系。死鎖恢復(fù)死鎖發(fā)生后，需要采取措施來解除死鎖，常用的方法包括撤銷進(jìn)程、搶占資源、回滾操作。選擇策略選擇最優(yōu)的死鎖恢復(fù)策略需要考慮因素包括進(jìn)程重要性、資源占用情況、回滾代價等。進(jìn)程通信消息隊列進(jìn)程之間通過發(fā)送和接收消息來進(jìn)行通信，消息存儲在隊列中，提供異步通信機(jī)制。套接字通信利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，例如TCP/IP，在網(wǎng)絡(luò)連接的進(jìn)程之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。共享內(nèi)存進(jìn)程之間共享一段內(nèi)存空間，可以直接讀寫數(shù)據(jù)，提高通信效率。管道通信管道概念管道是一種簡單的進(jìn)程間通信機(jī)制，允許進(jìn)程通過一個共享的管道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。管道類型管道分為無名管道和命名管道，無名管道只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信，命名管道則可以用于任何進(jìn)程間通信。管道機(jī)制管道通信通常通過系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)，進(jìn)程可以通過讀寫管道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，類似于文件讀寫操作。消息隊列消息隊列的定義消息隊列是進(jìn)程間通信的一種方式。它允許進(jìn)程之間通過傳遞消息進(jìn)行通信，而不必直接進(jìn)行交互。每個消息隊列都有一個唯一的標(biāo)識符，用于區(qū)分不同的消息隊列。消息隊列的優(yōu)勢消息隊列可以實現(xiàn)異步通信，發(fā)送者不需要等待接收者處理消息，就可以繼續(xù)執(zhí)行。消息隊列可以實現(xiàn)解耦，發(fā)送者和接收者不必直接耦合，它們之間通過消息隊列進(jìn)行通信。共享內(nèi)存11.高效數(shù)據(jù)交換進(jìn)程間直接訪問內(nèi)存，速度快，效率高，適合數(shù)據(jù)量大、訪問頻繁的情況。22.數(shù)據(jù)共享多個進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存，方便進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需復(fù)制數(shù)據(jù)。33.復(fù)雜同步機(jī)制共享內(nèi)存需要使用信號量、互斥鎖等機(jī)制確保數(shù)據(jù)的一致性，實現(xiàn)同步訪問。44.競爭訪問問題多個進(jìn)程訪問同一塊內(nèi)存時，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭問題，需要進(jìn)行同步控制。信號量信號量是一種同步機(jī)制它用于協(xié)調(diào)多個進(jìn)程對共享資源的訪問。信號量是一種整數(shù)值它表示可用的資源數(shù)量。信號量操作P操作：減少信號量值，如果值小于0，則進(jìn)程阻塞V操作：增加信號量值，如果值小于或等于0，則喚醒一個阻塞進(jìn)程套接字