《进程及进程管理》课件

进程及进程管理本课件将深入探讨操作系统中进程的概念及其管理机制,帮助理解计算机系统的运行原理。从进程的创建、状态转换、调度算法等方面全面阐述进程管理的核心内容。课程简介系统化的进程管理知识本课程全面介绍了操作系统中进程的概念、特征及其生命周期管理。进程调度和同步机制深入讲解了进程调度算法、进程同步问题及常见的解决方案。进程间通信方式探讨了多种进程间通信机制,如消息队列、管道、共享内存等。资源管理与调度分析了进程资源分配与回收,以及作业调度和内存管理等内容。什么是进程进程的定义进程是正在执行的程序实例,是系统资源分配的基本单位,同时也是CPU调度的基本单位。进程的属性进程拥有独立的地址空间、程序计数器、寄存器集合和打开的文件等。这些属性描述了进程的状态。进程的动态性进程在生命周期内会不断地改变状态,从创建、就绪、运行、阻塞到终止等,这就是进程的动态性。进程的特征动态性进程是动态实体,它们会在运行过程中不断变化状态。资源拥有进程在执行时会动态地获取和释放各种系统资源。独立性每个进程都是独立的执行单元,可以并发执行。通信机制进程之间可以通过某种通信机制进行信息交换。进程的生命周期1创建操作系统为进程分配所需资源,如内存空间、打开文件等,进程开始执行。2就绪进程已准备好执行,等待被调度并分配CPU时间片。3运行进程被分配CPU时间片,在处理器上执行指令。4等待进程因I/O请求或需要等待某事件发生而暂时停止运行。5终止进程完成了它的任务,或被操作系统或用户强行终止。进程的状态就绪状态进程已经准备好执行,只等待分配CPU资源即可运行。运行状态进程正在CPU上占用资源并执行。阻塞状态进程因为等待某事件（如I/O操作）而暂时无法执行。终止状态进程已经完成执行并退出，释放所占用的全部资源。进程控制块定义进程控制块(PCB)是操作系统用来描述和管理进程的一种数据结构。它包含了与进程相关的各种信息,如进程标识、处理机状态和资源分配等。作用PCB作为进程管理的核心,为操作系统提供了进程调度、资源分配和进程同步等功能,确保了进程能够顺利地运行。内容PCB通常包括进程标识、程序计数器、处理机状态、内存管理信息、资源清单、优先级信息、进程状态等多方面内容。管理操作系统通过创建、更新和删除PCB来对进程进行全面管理,确保进程有序地运行。进程调度CPU利用率进程调度旨在尽可能充分利用CPU资源,平衡各个进程的CPU使用。响应时间调度算法应尽量缩短进程的响应时间,提高系统的交互性。公平性调度算法应公平对待所有进程,避免某些进程被长期忽视。优先级可以根据进程的重要性设置不同的优先级,确保关键任务能够优先执行。进程调度算法1先来先服务(FCFS)按照进程到达的顺序依次执行，简单易实现但公平性较差。2最短作业优先(SJF)优先执行运行时间最短的进程，可提高系统吞吐量但需预先知道运行时间。3时间片轮转(RR)为每个进程分配固定的时间片轮流执行,兼顾了公平性和响应时间。4优先级调度(Priority)根据进程的优先级确定执行顺序,可灵活设置优先级以满足不同需求。批处理系统中的进程调度1作业提交用户将任务以批处理作业的形式提交到系统中2作业调度系统根据一定的调度算法和策略对作业进行排队调度3资源分配根据选择的调度算法分配所需的系统资源4作业执行按照调度顺序依次执行作业直至全部完成批处理系统中的进程调度是一种离线的、非交互式的进程调度机制。它主要通过作业提交、作业调度、资源分配和作业执行等步骤来完成对批处理作业的管理和控制。这种调度策略通常侧重于最大化系统吞吐量和资源利用率。交互式系统中的进程调度1交互响应性快速响应用户输入2公平性确保每个用户都得到合理的CPU时间3优先级区分重要进程和普通进程交互式系统的进程调度需要平衡响应速度、用户公平性和进程优先级。快速响应用户输入是关键,同时还要确保每个用户都能得到合理的CPU时间。通过设置不同的优先级,可以确保关键进程得到优先处理。实时系统中的进程调度1实时性要求满足严格的时间约束2优先级调度根据任务的重要性和紧迫性进行调度3可预测性确保关键任务能按时完成4低延迟最小化任务响应时间实时系统对进程调度有特殊要求。它必须满足严格的时间约束,确保关键任务能按时完成。调度算法必须考虑任务的优先级和紧迫性,并尽量减少延迟,以保证可预测的系统行为。进程同步问题同步互斥进程在访问共享资源时需要进行同步协调,避免出现资源竞争和数据不一致问题。流程控制进程之间的执行顺序必须按照一定的规则进行协调调度,确保操作的正确性和效率。信息交换进程之间需要通过有效的通信机制交换信息,以实现协同工作和及时响应。临界区问题什么是临界区?临界区指的是一个独占性资源,同一时间只允许一个进程访问的代码段。这种资源的访问必须是互斥的,以确保数据的一致性。临界区问题的挑战多个进程同时访问临界区会导致数据竞争,从而造成不一致的结果。如何确保临界区的访问是互斥的,是临界区问题需要解决的核心挑战。互斥的实现互斥原语通过系统调用实现的简单的互斥机制,如测试-设置指令。信号量机制使用信号量对共享资源进行访问控制,确保互斥。锁机制使用互斥锁(互斥量)来保护临界区,确保一次只有一个进程访问。管程机制利用管程中的条件变量和互斥锁实现进程间的同步和互斥。信号量机制引入信号量信号量是一种进程同步机制,通过记录可用资源的数量来控制对共享资源的访问。信号量的操作通过P操作（申请）和V操作（释放）来实现对共享资源的访问控制。信号量的应用信号量广泛应用于生产者-消费者问题、读者-写者问题等多种进程同步场景。管程机制并行控制管程通过使用监视器和条件变量来实现对并行执行流程的监控和控制,确保进程安全地访问临界资源。同步机制管程提供了高级的同步机制,允许进程间有条件地等待和唤醒,避免了繁琐的手工编码。死锁预防管程通过内置的资源管理和调度逻辑,可以有效地避免死锁的发生,提高了并发系统的可靠性。死锁概念定义死锁是指两个或多个进程因争夺资源而陷入僵局的情况。各进程都在等待其他进程释放资源，但没有任何进程能够继续执行。产生原因死锁的产生需要满足四个必要条件:互斥、占有和等待、不可抢占和循环等待。只要其中一个条件不成立,就不会出现死锁。死锁的必要条件互斥性系统资源必须唯一被一个进程使用,不允许共享。占有且等待进程已经占用一些资源,同时又申请新的资源,但新资源无法立即分配。不可剥夺已分配给一个进程的资源不能被强制性地从该进程手中夺走。循环等待存在一个进程集合{P0,P1,...Pn}，P0占用资源R1,P1占用资源R2,...Pn占用资源R0且R0被P0占用。死锁的预防与避免1合理分配资源合理分配资源并控制资源的使用可以有效地预防死锁的发生。2动态检测与解决实时监控进程状态并动态检测潜在的死锁问题,及时解决。3银行家算法采用银行家算法可以事先判断是否会发生死锁,从而避免死锁。4死锁恢复当发生死锁时,可以通过杀死进程或撤销资源分配来恢复系统。死锁的检测与解决死锁检测通过构建资源分配图或等待图，分析图中是否存在环路来检测是否发生死锁。死锁解决主要方法包括死锁预防、死锁避免和死锁检测与恢复。选择合适的方法可以有效解决死锁问题。死锁恢复一旦检测到死锁，可以通过抢占资源、撤销进程等方式来打破死锁循环，恢复系统正常运行。进程间通信机制共享内存进程可以通过直接访问共享的内存区域来交换数据,这是最快速有效的通信方式。但需要注意互斥访问和同步机制。管道通信通过管道在进程之间传递数据流,可以实现简单的单向异步通信。管道可以是匿名的也可以是命名的。消息队列进程可以向消息队列发送和接收消息,这是一种更加灵活的异步通信方式,可以实现进程间的双向通信。消息队列什么是消息队列?消息队列是一种进程间通信的机制,它允许进程通过发送和接收消息来进行交互和同步。消息被存储在队列中,等待接收进程获取处理。消息队列的特点异步通信:发送方和接收方不需要同时在线缓存机制:消息暂时存储在队列中,避免因接收方暂时不可用而丢失信息解耦设计:发送方和接收方解耦,有利于系统可扩展性管道机制数据流传输管道可以在进程之间建立数据传输通道,实现进程间的数据交换。无格式数据管道传输的数据是无格式的字节流,可以传输任意类型的数据。先进先出数据在管道中按照先进先出的顺序流动,保证了数据的时序性。缓冲机制管道内部提供缓冲区,可以暂时存储数据,避免数据发送和接收之间的速度差异。共享内存内存共享多个进程可以访问同一块物理内存区域，实现高效的信息传递。访问控制需要通过同步机制如互斥锁来控制对共享内存的访问，避免竞争条件。性能优势相比管道或消息队列等机制，共享内存可以实现更快的进程间通信。编程复杂性需要设计合理的同步机制来处理并发访问问题，增加了编程难度。套接字网络通信基础套接字是网络编程中实现进程间通信的基本机制,是一种抽象层,为应用程序提供了统一的网络访问接口。套接字类型主要包括流式套接字(TCP)和数据报套接字(UDP),前者提供可靠的面向连接的通信,后者提供无连接的不可靠通信。使用流程创建套接字、绑定到本地地址和端口、监听来自客户端的连接请求、接受连接并处理数据交换。跨平台特性套接字是操作系统提供的标准网络编程接口,可跨平台使用,使得网络应用程序具有良好的移植性。远程过程调用概念解释远程过程调用(RPC)是一种跨进程通信技术,允许客户端程序以同步或异步的方式调用远程服务器上的方法。通过RPC,客户端可以无缝地访问和使用远程服务器提供的功能。主要特点RPC使用网络协议在不同机器或进程之间传输数据,隐藏了底层网络通信细节,为开发人员提供了一种简单易用的编程接口。典型应用场景RPC广泛应用于分布式系统、微服务架构、云计算等领域,实现了不同系统之间的无缝集成和数据交换。主要实现方式常见的RPC框架包括gRPC、Thrift、Dubbo等,它们提供了完整的通信协议规范以及客户端和服务端的开发工具。进程资源分配与回收1资源分配策略操作系统需要制定合理的资源分配策略,确保进程能够高效利用系统资源。2内存管理为进程动态分配和回收内存,避免内存泄漏和资源浪费。3I/O管理合理分配I/O设备,满足进程的I/O需求,提高系统利用率。4死锁处理检测和预防死锁问题,保证进程能够顺利获取所需资源。作业调度任务调度合理安排各类作业任务的时间和顺序,提高资源利用率和系统吞吐量。优先级管理根据任务的重要性和紧急程度制定不同的优先级策略,确保关键任务优先执行。作业调度算法选择合适的调度算法,如先来先服务、最短作业优先、时间片轮转等,提高系统性能。负载均衡合理分配作业任务,避免资源瓶颈,提高系统的整体处理能力。内存管理内存分配系统根据应用程序的需求动态