《进程和处理机管理》课件

进程和处理机管理本课件将深入探讨操作系统的核心概念，包括进程和处理机管理。学习进程和处理机管理的关键知识点，了解操作系统如何管理和调度这些资源，以及如何优化系统性能。课程大纲进程和处理机管理操作系统核心概念之一，深入理解进程、处理机、内存管理等核心内容，掌握其原理和实现方法。核心概念进程的概念、状态转换、进程控制块、进程调度、死锁的产生和处理内存管理连续分配方式、分页存储管理、分段存储管理、虚拟存储器，了解不同内存管理机制的优缺点。进程的概念进程是一个正在执行的程序的实例。它是一个动态的概念，包含了程序的代码、数据和系统资源。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，每个进程都拥有自己的独立的地址空间和系统资源。进程的状态就绪状态进程已准备就绪，等待分配处理机。运行状态进程已分配到处理机，正在执行。阻塞状态进程正在等待某个事件发生，如I/O操作完成或资源可用。进程控制块进程控制块（PCB）是操作系统用来管理进程的重要数据结构，它包含了进程运行所需的关键信息。每个进程都有一个唯一的PCB，用于跟踪和控制进程的执行。PCB中包含进程标识符、进程状态、程序计数器、CPU寄存器、内存地址空间、文件描述符、优先级等信息。这些信息允许操作系统有效地管理进程，例如创建、调度、切换和终止进程。进程的创建1分配资源为新进程分配必要的系统资源，如内存、文件等。2创建PCB为新进程创建一个进程控制块(PCB)，存储相关信息。3初始化PCB初始化PCB中的各个字段，例如进程状态、优先级等。4加入就绪队列将新进程加入到就绪队列中，等待调度执行。进程创建的过程涉及一系列步骤，从分配资源到初始化进程控制块，最终将新进程加入就绪队列等待执行。进程的切换保存当前进程状态保存CPU寄存器、程序计数器、内存状态等信息。加载新进程状态将待运行进程的上下文信息加载到内存。切换到新进程将CPU控制权交给新进程，使其开始执行。进程的终止1进程释放资源释放占用的内存、文件和其他资源。2通知父进程向父进程发送终止信号，通知其子进程已终止。3从进程表中删除从操作系统维护的进程表中删除该进程。进程终止是指结束一个正在运行的进程。这是一个正常且必要的过程，因为进程可能完成任务或遇到错误而需要停止。进程调度策略进程调度进程调度是指操作系统决定哪个进程应该在什么时候运行，并分配CPU资源的过程。进程调度策略可以分为两种：抢占式和非抢占式。调度目标提高CPU利用率，减少系统开销，实现公平调度，满足不同进程对资源的需求。常见的进程调度策略包括先来先服务、最短作业优先、时间片轮转、优先级调度、多级反馈队列算法等。短期调度CPU分配短期调度器负责将就绪状态的进程分配给CPU。它选择一个进程并将其装入内存，准备执行。快速响应短期调度器的目标是快速做出调度决策，以最大程度地减少上下文切换开销并保持系统效率。动态决策短期调度器根据进程的优先级、内存需求和其他因素做出实时决策，以优化系统性能。中期调度11.降低内存占用暂时将一些进程从内存中移出到外存中，以降低内存的占用率。22.提高系统吞吐量将处于阻塞状态的进程移出内存，可以为其他等待运行的进程腾出空间。33.平衡系统资源通过调节内存中运行的进程数量，可以提高系统资源的利用率。44.提高系统稳定性避免由于内存不足导致系统崩溃，提高系统运行的稳定性。长期调度长期调度长期调度又称为作业调度。它决定哪些作业可以进入系统，并分配系统资源。通常，长期调度运行频率很低，仅在系统空闲时进行。长期调度的作用选择合适的作业进入系统可以有效地利用系统资源，并保证系统的稳定性。例如，在多用户环境下，需要选择适当的作业进入系统，以满足不同用户的需求。先来先服务算法排队顺序先来先服务算法按照进程到达系统的时间顺序进行调度，先到达的进程优先获得处理机。简单易懂此算法简单易实现，无需额外的信息和计算，是一种直观的调度策略。公平性算法对所有进程公平，不会对任何进程进行歧视，但可能导致效率低下。最短作业优先算法算法简介最短作业优先算法(SJF)是一种非抢占式调度算法。它会选择预计运行时间最短的作业进行调度，并一直运行到完成。优点SJF算法可以最大程度地减少平均等待时间，提高系统效率。缺点SJF算法需要预知每个作业的运行时间，这在实际中难以实现。此外，它可能会导致长作业长时间等待，无法获得资源。时间片轮转算法时间片系统为每个进程分配一个时间片，当时间片用完时，系统就会强制剥夺该进程的CPU使用权，并将CPU资源分配给其他进程。轮转进程按照先来先服务的顺序排队，轮流获得CPU时间片。优先级调度算法优先级每个进程分配一个优先级，优先级高的进程优先执行。动态调整动态调整优先级，比如等待时间长的进程优先级会提高。问题可能会导致饥饿现象，即某些低优先级进程长期无法获得CPU。多级反馈队列算法多级反馈队列算法它是一种常用的进程调度算法。它根据进程的优先级和等待时间，将进程分配到不同的队列中进行调度。优先级和时间片在每个队列中，进程都按照时间片轮转的方式进行调度，并根据优先级进行调整。动态调整算法可以根据进程的实际运行情况，动态调整进程的优先级和时间片，提高系统效率。死锁的概念死锁是多个进程因竞争资源而陷入的一种僵局，所有进程都处于等待状态，无法继续执行，导致系统资源无法得到有效利用。死锁的发生会导致系统性能下降，严重时甚至会造成系统崩溃，因此需要采取措施预防和解决死锁问题。死锁的产生条件互斥条件资源只能被一个进程使用，其他进程无法访问。占有并请求条件进程已经占有一部分资源，并请求其他资源，但其他资源被其他进程占有。不可剥夺条件进程已占有的资源在未完成使用前不能被其他进程强行夺走。循环等待条件多个进程形成循环等待资源关系，每个进程都在等待下一个进程所持有的资源。死锁的预防11.剥夺资源如果一个进程已经占有了若干资源，而它又申请新的资源，但该资源暂时不能满足，则该进程可以释放它已经占有的资源。22.顺序资源分配对所有资源类型进行排序，每个进程必须按照资源类型的顺序申请资源。33.避免循环等待避免进程之间相互等待，可以通过设置资源分配顺序或者限制进程申请资源的个数来实现。死锁的避免银行家算法银行家算法是一种动态资源分配算法，它可以有效地避免死锁的发生。该算法通过预先检查系统资源，确保在满足安全状态的情况下分配资源，从而防止死锁的出现。资源预留在进程创建时，预先为其分配所有需要的资源，避免在运行过程中因为资源不足而发生死锁。这可以通过限制每个进程的最大资源需求来实现，但可能会导致资源浪费和系统效率降低。死锁的检测与解除死锁检测利用系统资源分配图或其他算法检测死锁状态。如果发现系统处于死锁状态，则需要解除死锁。死锁解除通过撤销进程、剥夺资源或回滚操作等方式，打破循环等待关系，解除死锁。内存管理概述内存管理是操作系统的重要组成部分，它负责分配和回收内存资源，以满足各种程序运行的需要。内存管理的目的是提高内存利用率，避免内存碎片，提高程序执行效率。连续分配方式单一连续分配将整个内存空间划分成两个区域：操作系统区和用户进程区。用户进程独占一个连续的内存空间，并与操作系统共享内存资源。分区分配将整个内存空间划分成若干个分区，每个分区可以分配给一个进程。内存碎片由于内存空间的划分，会导致内存空间的浪费，形成“内存碎片”，降低内存空间利用率。分页存储管理1内存划分将内存空间划分为大小相等的页面，每个页面拥有独立的页号。2程序划分将程序划分成大小相同的页面，每个页面对应一个页号。3地址映射逻辑地址由页号和页内偏移量构成，物理地址由页框号和页内偏移量构成。4页面替换当所需页面不在内存中时，需要从内存中替换一个页面。分段存储管理程序的逻辑结构分段存储管理以程序的逻辑结构为基础，将程序划分成多个逻辑段，例如代码段、数据段、栈段等。每个段的大小可以不同，但必须是连续的逻辑地址空间。地址映射每个段都有自己的段号，系统使用段号和段内偏移地址来定位程序中的数据。系统维护一个段表，用于存储每个段的起始地址和段长等信息，方便地址映射。虚拟存储器虚拟存储器是一种内存管理技术，它使用硬盘作为主内存的扩展。虚拟存储器允许程序使用比物理内存更多的内存，这使得可以运行更大的程序，并提高系统性能。页面置换算法最优页面置换算法该算法选择未来最长时间不会被访问的页面进行替换。性能最佳，但无法在实际系统中实现。先进先出（FIFO）算法选择在内存中驻留时间最长的页面进行替换。实现简单，但容易出现“抖动”现象。最久未使用（LRU）算法选择最近最长时间没有被访问的页面进行替换。性能较好，但需要记录每个页面的访问时间，实现较为复杂。时钟算法通过一个循环队列来实现页面置换。每次选择下一个页面时，检查其访问位。若访问位为1，则将其清零，并继续选择下一个页面。作业和进程的区别作业作业是一个完整的应用程序，包含程