《操作系統(tǒng)原理》第二章進(jìn)程管理

《操作系統(tǒng)原理》第二章進(jìn)程管理contents目錄進(jìn)程管理概述進(jìn)程創(chuàng)建與終止進(jìn)程同步與互斥進(jìn)程通信機制線程概念及多線程模型進(jìn)程調(diào)度算法01進(jìn)程管理概述進(jìn)程概念及特性進(jìn)程定義進(jìn)程是計算機程序關(guān)于數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位。進(jìn)程特性動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性、異步性、結(jié)構(gòu)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?fàn)顟B(tài)。就緒→執(zhí)行、執(zhí)行→阻塞、阻塞→就緒、執(zhí)行→終止等。進(jìn)程狀態(tài)與轉(zhuǎn)換進(jìn)程轉(zhuǎn)換進(jìn)程狀態(tài)記錄進(jìn)程的外部特征，描述進(jìn)程的運動變化過程，系統(tǒng)利用PCB來控制和管理進(jìn)程。PCB作用進(jìn)程標(biāo)識符、處理機狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度信息、進(jìn)程控制信息。PCB內(nèi)容進(jìn)程控制塊PCB進(jìn)程是系統(tǒng)資源分配的基本單位，通過對進(jìn)程的管理，實現(xiàn)對CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等資源的合理分配和使用。資源管理通過對進(jìn)程的有效調(diào)度和管理，提高系統(tǒng)的吞吐量和響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)性能。系統(tǒng)效率進(jìn)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(jìn)程管理可以提供更好的用戶體驗，如快速響應(yīng)、平滑運行等。用戶體驗進(jìn)程管理重要性02進(jìn)程創(chuàng)建與終止創(chuàng)建方式進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用、用戶請求、作業(yè)調(diào)度或父進(jìn)程創(chuàng)建等方式來創(chuàng)建新的進(jìn)程。其中，系統(tǒng)調(diào)用是最常用的方式之一。創(chuàng)建步驟創(chuàng)建一個新進(jìn)程通常需要以下步驟：申請空白PCB（進(jìn)程控制塊）；為新進(jìn)程分配資源；初始化PCB；將新進(jìn)程插入就緒隊列。進(jìn)程創(chuàng)建方式及步驟終止條件進(jìn)程終止的條件包括正常結(jié)束（如任務(wù)完成、程序執(zhí)行完畢等）和異常結(jié)束（如發(fā)生錯誤、接收到特定信號等）。處理方式當(dāng)進(jìn)程終止時，操作系統(tǒng)需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括回收進(jìn)程所占用的資源、撤銷進(jìn)程的PCB以及將相關(guān)信息保存在系統(tǒng)日志中等。進(jìn)程終止條件及處理孤兒進(jìn)程是指父進(jìn)程先于子進(jìn)程結(jié)束，此時子進(jìn)程將成為孤兒進(jìn)程。為了避免孤兒進(jìn)程對系統(tǒng)資源造成浪費，操作系統(tǒng)通常會將其父進(jìn)程設(shè)置為init進(jìn)程（或類似的系統(tǒng)級進(jìn)程），由init進(jìn)程來負(fù)責(zé)回收孤兒進(jìn)程所占用的資源。孤兒進(jìn)程僵尸進(jìn)程是指子進(jìn)程已經(jīng)結(jié)束，但其父進(jìn)程尚未回收其PCB等資源，導(dǎo)致該子進(jìn)程仍然留在系統(tǒng)中占用一定的資源。為了避免僵尸進(jìn)程對系統(tǒng)的影響，父進(jìn)程需要在子進(jìn)程結(jié)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(jìn)程進(jìn)行資源回收。僵尸進(jìn)程孤兒進(jìn)程與僵尸進(jìn)程問題例子：創(chuàng)建和終止一個進(jìn)程在Unix/Linux系統(tǒng)中，可以使用fork()系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建一個新進(jìn)程。fork()函數(shù)會復(fù)制當(dāng)前進(jìn)程的PCB等資源，并在新進(jìn)程中返回0，而在原進(jìn)程中返回新進(jìn)程的PID。通過fork()函數(shù)可以方便地創(chuàng)建一個與當(dāng)前進(jìn)程幾乎完全相同的子進(jìn)程。創(chuàng)建進(jìn)程在Unix/Linux系統(tǒng)中，可以使用exit()系統(tǒng)調(diào)用來終止一個進(jìn)程。exit()函數(shù)會向父進(jìn)程發(fā)送一個信號，通知父進(jìn)程進(jìn)行資源回收等操作，并釋放當(dāng)前進(jìn)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(jìn)程，以便父進(jìn)程了解子進(jìn)程的退出狀態(tài)。終止進(jìn)程03進(jìn)程同步與互斥并發(fā)進(jìn)程中與共享變量有關(guān)的程序段稱為臨界區(qū)。臨界區(qū)定義多個進(jìn)程同時進(jìn)入臨界區(qū)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致和錯誤。臨界區(qū)問題如Peterson算法，通過進(jìn)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(yīng)用場景用于實現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥，如生產(chǎn)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(yīng)用生產(chǎn)者-消費者問題01生產(chǎn)者和消費者共享一個緩沖區(qū)，生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，消費者從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品消費。需要保證生產(chǎn)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(jìn)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(xué)家進(jìn)餐問題03五個哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，思考和進(jìn)餐交替進(jìn)行。每個哲學(xué)家之間有一只筷子，進(jìn)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(chǎn)者-消費者問題設(shè)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(chǎn)品數(shù)量和互斥鎖。生產(chǎn)者在生產(chǎn)產(chǎn)品前需要等待empty大于0，然后申請mutex鎖；生產(chǎn)完成后釋放mutex鎖并增加full的值。消費者在消費產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)者和消費者進(jìn)程通過調(diào)用管程中的過程來實現(xiàn)同步和互斥。管程內(nèi)部包含了一個緩沖區(qū)及相關(guān)的操作過程，如insert和remove等。生產(chǎn)者和消費者通過調(diào)用這些過程來訪問緩沖區(qū)。例子：生產(chǎn)者消費者問題實現(xiàn)04進(jìn)程通信機制多個進(jìn)程共享一塊內(nèi)存區(qū)域，進(jìn)程間通過讀寫共享內(nèi)存實現(xiàn)信息交換。原理優(yōu)點缺點應(yīng)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(fù)雜度高。適用于需要大量數(shù)據(jù)交換的進(jìn)程間通信。共享內(nèi)存通信方式原理優(yōu)點缺點應(yīng)用場景消息傳遞通信方式進(jìn)程間通過發(fā)送和接收消息進(jìn)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(jìn)程同步。適用于需要較少數(shù)據(jù)交換但需要同步的進(jìn)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(jìn)程間的通信。優(yōu)點簡單易用，適合父子進(jìn)程間通信。缺點只能單向通信，且只能在有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用。應(yīng)用場景適用于父子進(jìn)程間的簡單數(shù)據(jù)交換。管道通信原理及應(yīng)用場景父進(jìn)程創(chuàng)建管道，并調(diào)用fork()創(chuàng)建子進(jìn)程。01例子：使用管道實現(xiàn)父子進(jìn)程通信父進(jìn)程向管道寫入數(shù)據(jù)，子進(jìn)程從管道讀取數(shù)據(jù)。02子進(jìn)程處理數(shù)據(jù)后，將結(jié)果寫回管道，父進(jìn)程讀取結(jié)果并輸出。03父子進(jìn)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(jìn)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(jìn)程中的一個實體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位，它擁有獨立的運行環(huán)境和?？臻g，但共享進(jìn)程的資源。線程與進(jìn)程比較線程比進(jìn)程更輕量級，創(chuàng)建、銷毀和切換速度更快；多個線程共享進(jìn)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(jìn)程。線程定義及屬性比較123多個用戶級線程映射到一個內(nèi)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(nèi)核級線程，線程管理在內(nèi)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(nèi)核級線程，結(jié)合了前兩種模型的優(yōu)點，但實現(xiàn)復(fù)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(diào)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。互斥問題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(fù)雜的計算問題。要點一要點二多線程在并行計算中的應(yīng)用多線程可以實現(xiàn)任務(wù)并行化，將一個大任務(wù)分解成多個小任務(wù)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(lǐng)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(jìn)程調(diào)度算法調(diào)度層次高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）、中級調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）、低級調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度）調(diào)度目標(biāo)CPU利用率、系統(tǒng)吞吐量、周轉(zhuǎn)時間、等待時間、響應(yīng)時間等調(diào)度層次和調(diào)度目標(biāo)短作業(yè)優(yōu)先（SJF）優(yōu)先調(diào)度運行時間短的進(jìn)程，可以縮短平均等待時間，但需要預(yù)知進(jìn)程運行時間。時間片輪轉(zhuǎn)（RR）將CPU時間劃分為時間片，輪流分配給各個進(jìn)程，保證每個進(jìn)程都能得到響應(yīng)，適用于分時系統(tǒng)。優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度，可以靈活控制進(jìn)程的執(zhí)行順序，但需要合理設(shè)置優(yōu)先級。先來先服務(wù)（FCFS）按照進(jìn)程到達(dá)的先后順序進(jìn)行調(diào)度，簡單易實現(xiàn)，但平均等待時間較長。常見調(diào)度算法原理及特點算法性能評價指標(biāo)系統(tǒng)吞吐量等待時間單位時間內(nèi)完成作業(yè)的數(shù)量。進(jìn)程在就緒隊列中等待的時間。CPU利用率周轉(zhuǎn)時間響應(yīng)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(chǎn)生響應(yīng)的時間。假設(shè)有4個進(jìn)程，每個進(jìn)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(zhuǎn)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度，時間片設(shè)為1個時間單位。按照進(jìn)程到達(dá)的順序，將進(jìn)程放入就緒隊列中。每個時間片內(nèi)，選擇隊首進(jìn)程執(zhí)行，執(zhí)行完畢后將其從隊列中移除，并計算該進(jìn)程的等待時間和