《进程及进程管理》课件

进程及进程管理进程的概念与定义程序程序是一组指令，其本身是静态的，它只是存储在磁盘上的数据。进程进程是程序在执行时的动态过程，它包括程序代码、数据、系统资源和进程控制块。进程的组成部分程序程序是静态的指令序列，是进程执行的依据。数据数据是程序执行时所需要操作的信息，包括程序运行时所需的输入数据、中间结果和输出数据等。进程控制块(PCB)进程控制块是操作系统用来管理进程的重要数据结构，它保存了进程的各种信息。进程的状态运行状态进程正在CPU上执行。就绪状态进程已准备好运行，等待CPU分配。阻塞状态进程正在等待某个事件发生，例如I/O完成或资源可用。进程控制块进程标识符唯一标识每个进程进程状态描述进程当前状态进程内存信息记录进程在内存中的地址和大小进程的创建与终止1创建资源分配2终止释放资源3执行状态转换进程切换保存上下文将当前运行进程的CPU寄存器、程序计数器和内存状态保存到进程控制块(PCB)中。加载上下文将要运行的进程的PCB中的上下文信息加载到CPU中，以便继续执行。更新PCB更新PCB的状态，例如将当前进程状态更改为就绪或阻塞。进程调度算法分配CPU资源调度程序负责选择一个就绪进程并将其分配给CPU执行。优化系统性能不同的调度算法目标不同，例如提高吞吐量、减少响应时间或提高公平性。调度算法分类常见的调度算法包括先来先服务、短作业优先、时间片轮转和多级反馈队列等。先来先服务(FCFS)算法简单易懂FCFS算法简单易于理解和实现，易于管理。公平性每个进程都按照到达时间顺序执行，保证了公平性。效率低下该算法没有考虑进程的执行时间，可能导致短进程被长进程阻塞，降低系统效率。短作业优先(SJF)算法算法原理该算法选择当前就绪队列中预计运行时间最短的进程优先运行。它可以有效地提高系统吞吐量，减少平均等待时间。优势能够有效地减少平均等待时间，提高系统吞吐量。劣势无法准确预测进程的实际运行时间，可能导致长作业长时间等待，造成饥饿现象。时间片轮转(RR)算法轮流分配每个进程被分配一个固定时间片，并在时间片结束时被强制切换到下一个进程，从而实现进程间的轮流执行。公平性这种算法可以保证所有进程都有机会获得CPU时间，避免了某些进程长时间霸占CPU资源。响应时间RR算法可以有效地缩短交互式进程的响应时间，因为即使一个进程没有完成，也能够及时响应用户的请求。多级反馈队列算法1优先级队列将进程按优先级分为多个队列，高优先级队列的进程优先执行。2时间片轮转每个队列都使用时间片轮转调度，时间片大小随队列优先级递减。3进程迁移如果进程在某个队列的时间片用完，则会降级到下一个优先级队列。4动态调整进程的优先级可以根据其执行情况进行动态调整，例如长时间等待的进程可以提升优先级。实时调度算法实时调度算法需要满足时间限制,对事件作出快速反应.实时系统需要在严格的时间范围内完成任务.实时系统需要确保任务在规定的时间内完成,避免延迟或错误.进程同步概念1共享资源多个进程需要访问同一共享资源时，需要同步操作。2并发执行同步是为了确保进程之间相互协调，有序地访问共享资源，避免冲突。3协调合作同步机制可以保证进程之间的合作，实现复杂的系统功能。临界区与临界资源临界区在多道程序环境中，多个进程可能需要访问相同的资源。例如，共享变量、文件、设备等。临界资源临界资源是指在同一时刻只允许一个进程访问的资源，例如打印机、文件等。当多个进程要访问同一临界资源时，就可能出现冲突。进程同步的实现方式1信号量机制通过信号量计数器控制进程的同步与互斥访问。2管程机制提供数据结构和操作，简化同步操作，确保数据的一致性。3消息传递机制进程之间通过发送和接收消息实现同步，适用于不同平台的进程通信。信号量机制定义信号量是一种用于进程同步的机制，它本质上是一个计数器，用于控制对共享资源的访问。操作信号量支持两种操作：等待（P操作）和释放（V操作）。使用场景信号量常用于解决生产者-消费者问题、读者-写者问题等经典同步问题。管程机制数据和方法的封装将共享数据和对该数据的操作封装在一个抽象数据类型中，称为管程。互斥访问一次只允许一个进程进入管程，确保对共享数据的互斥访问。同步机制管程内部包含条件变量和等待/唤醒操作，用于协调进程间的同步。死锁的概念与必要条件互锁状态两个或多个进程无限期地阻塞等待对方释放资源，从而无法继续执行。必要条件死锁发生的必要条件包括：互斥、持有并等待、不可剥夺、循环等待。死锁的预防、避免与检测死锁预防通过破坏死锁发生的必要条件来防止死锁的发生。例如，可以采用资源预分配的方式，在进程开始运行之前分配所有需要的资源，从而避免由于资源竞争而导致的死锁。死锁避免在进程请求资源时，根据系统当前的资源状态和进程未来的资源需求，动态地决定是否分配资源，从而避免死锁的发生。例如，银行家算法就是一种经典的死锁避免算法。死锁检测允许死锁发生，但系统会定期检测系统中是否发生了死锁。如果检测到死锁，则采取措施来解除死锁。例如，可以终止死锁的进程或回收死锁进程持有的资源。死锁的解决方法1预防通过破坏死锁产生的必要条件来防止死锁的发生。2避免在资源分配过程中，通过动态地检测资源状态来避免死锁的发生。3检测与解除检测系统中是否发生了死锁，并采取措施来解除死锁。内存管理概述内存管理是操作系统中重要的组成部分。它负责管理计算机系统中宝贵的内存资源，以确保程序能够高效地运行。内存分配将物理内存分配给不同的进程或程序，确保每个程序都有足够的内存空间运行。内存保护防止程序访问其他程序的内存空间，确保系统的稳定性和安全性。连续分配方式单一分区分配内存被划分为一个分区，一个进程占据整个分区。固定分区分配内存被划分为多个固定大小的分区，每个进程占据一个分区。可变分区分配内存根据进程的大小动态划分分区，每个进程占据一个可变大小的分区。分页存储管理物理地址空间将内存划分为大小相等的页面，每个页面对应一个页号。逻辑地址空间将进程的地址空间划分为相同大小的页，每个页对应一个页号。页表建立逻辑地址和物理地址之间的映射关系，存放每个页面的物理地址。分段存储管理将程序地址空间划分为若干个大小不等的段，每个段对应程序的逻辑单元。每个段可以分配到内存中的任何地方，不必连续。段表用于记录段在内存中的地址和大小，每个条目对应一个段。虚拟存储器1扩大地址空间将逻辑地址空间扩展到物理地址空间，允许程序大于可用物理内存。2提高多道程序度允许多个程序同时驻留在内存中，提高系统资源利用率。3简化内存管理用户无需关注物理内存分配，系统自动管理，简化编程和系统设计。页面置换算法先进先出(FIFO)最早进入内存的页面最先被淘汰。最佳置换算法(OPT)淘汰未来最长时间内不会被访问的页面。最近最少使用(LRU)淘汰最近最长时间未被使用的页面。时钟算法(CLOCK)结合FIFO和LRU，提高效率。工作集理论页面访问频率时间局部性空间局部性抖动问题及解决方法页面置换频繁频繁的页面置换会导致CPU和内存之间的数据传输量增加，降低系统性能。工作集大小变化当工作集大小发生变化时，需要频繁进行页面置换，导致系统性能下降。算法优化选择合适的页面置换算法，如最佳置换算法，可以有效减少抖动问题。内存扩容增加内存容量可以减少页面置换次数，从而减少抖动问题。作业和