《進(jìn)程控制塊PCB》課件

進(jìn)程控制塊PCB進(jìn)程控制塊PCB是操作系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。它包含了進(jìn)程運(yùn)行所需的全部信息，是操作系統(tǒng)管理和控制進(jìn)程的唯一依據(jù)。PCB的定義和功能定義進(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)程運(yùn)行所需的所有信息，如進(jìn)程標(biāo)識(shí)、狀態(tài)、內(nèi)存地址等。功能PCB作為操作系統(tǒng)管理進(jìn)程的橋梁，為進(jìn)程的創(chuàng)建、切換、調(diào)度、同步等提供必要的管理信息。同時(shí)，PCB也是操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)程控制和資源管理的依據(jù)。PCB的作用進(jìn)程管理操作系統(tǒng)通過PCB來識(shí)別、管理和控制進(jìn)程，例如創(chuàng)建、撤銷、掛起和恢復(fù)進(jìn)程。資源分配PCB保存了進(jìn)程所需要的各種資源信息，例如內(nèi)存、文件、外設(shè)等，方便操作系統(tǒng)進(jìn)行分配和回收。進(jìn)程調(diào)度PCB記錄了進(jìn)程的狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)等信息，為操作系統(tǒng)選擇下一個(gè)執(zhí)行的進(jìn)程提供參考。進(jìn)程通信PCB中保存了進(jìn)程間通信的信息，例如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存等，方便進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PCB包含的信息進(jìn)程標(biāo)識(shí)符唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，例如進(jìn)程ID(PID)。進(jìn)程狀態(tài)表示進(jìn)程當(dāng)前所處的狀態(tài)，例如運(yùn)行、就緒、阻塞。程序計(jì)數(shù)器(PC)記錄程序執(zhí)行的下一條指令的地址。CPU寄存器保存程序執(zhí)行過程中需要的各種信息，例如累加器、指令寄存器等。PCB的五大組成部分1進(jìn)程標(biāo)識(shí)符一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，用于區(qū)分不同的進(jìn)程。2進(jìn)程狀態(tài)描述了進(jìn)程當(dāng)前所處的狀態(tài)，例如運(yùn)行、就緒、阻塞。3程序段包含了進(jìn)程執(zhí)行的指令序列，存儲(chǔ)在內(nèi)存中。4數(shù)據(jù)段存儲(chǔ)了進(jìn)程運(yùn)行時(shí)所需的各種數(shù)據(jù)，包括變量、常量等。PCB的狀態(tài)就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備好運(yùn)行，等待分配CPU時(shí)間片。運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在使用CPU，執(zhí)行指令。阻塞狀態(tài)進(jìn)程等待某個(gè)事件發(fā)生，例如I/O完成或資源可用。就緒隊(duì)列就緒隊(duì)列包含所有已經(jīng)準(zhǔn)備好的進(jìn)程，等待系統(tǒng)分配CPU資源。就緒隊(duì)列中的進(jìn)程可以立即執(zhí)行。1等待CPU就緒狀態(tài)2分配CPU運(yùn)行狀態(tài)3等待資源阻塞狀態(tài)等待隊(duì)列1等待狀態(tài)進(jìn)程處于等待狀態(tài)，表示它正在等待某個(gè)事件的發(fā)生，例如I/O操作完成或其他資源可用。2隊(duì)列結(jié)構(gòu)等待隊(duì)列是一個(gè)FIFO（先進(jìn)先出）隊(duì)列，用于存儲(chǔ)處于等待狀態(tài)的進(jìn)程。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，隊(duì)列中的第一個(gè)進(jìn)程被喚醒并進(jìn)入就緒狀態(tài)。3事件觸發(fā)當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將等待該事件的進(jìn)程從等待隊(duì)列中移除，并將其放入就緒隊(duì)列，等待調(diào)度器分配CPU時(shí)間。阻塞隊(duì)列阻塞隊(duì)列是一種線程安全的隊(duì)列，它允許線程等待隊(duì)列中有可用元素或空間。1阻塞隊(duì)列線程等待2隊(duì)列空線程阻塞3隊(duì)列滿線程阻塞當(dāng)線程試圖從一個(gè)空隊(duì)列中獲取元素時(shí)，它將被阻塞，直到隊(duì)列中有元素可用為止。當(dāng)線程試圖向一個(gè)滿隊(duì)列中添加元素時(shí)，它將被阻塞，直到隊(duì)列中有空間可用為止。進(jìn)程調(diào)度算法算法概述進(jìn)程調(diào)度算法用于選擇下一個(gè)要執(zhí)行的進(jìn)程，確保系統(tǒng)資源的有效利用。算法分類常見的進(jìn)程調(diào)度算法包括先來先服務(wù)(FCFS)、短作業(yè)優(yōu)先(SJF)、最高響應(yīng)比優(yōu)先(HRN)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)等。目標(biāo)好的進(jìn)程調(diào)度算法能夠提高系統(tǒng)吞吐量，縮短平均等待時(shí)間，以及保證公平性。先來先服務(wù)(FCFS)11.概述先來先服務(wù)調(diào)度算法是最簡(jiǎn)單的調(diào)度算法之一，它按照進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)的順序進(jìn)行調(diào)度。22.原理當(dāng)一個(gè)進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)時(shí)，它將被加入到就緒隊(duì)列的末尾，等待調(diào)度器分配CPU。33.優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單易懂，實(shí)現(xiàn)方便，公平性好。44.缺點(diǎn)可能導(dǎo)致短進(jìn)程等待時(shí)間過長(zhǎng)，效率不高。短作業(yè)優(yōu)先(SJF)優(yōu)先調(diào)度算法短作業(yè)優(yōu)先(SJF)調(diào)度算法是一種非搶占式調(diào)度算法，它選擇最短的作業(yè)優(yōu)先執(zhí)行。算法特點(diǎn)SJF算法可以有效地減少平均等待時(shí)間，但可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)作業(yè)長(zhǎng)時(shí)間等待。應(yīng)用場(chǎng)景SJF算法適用于那些作業(yè)執(zhí)行時(shí)間較短，而且需要快速完成的任務(wù)。最高響應(yīng)比優(yōu)先(HRN)HRN算法最高響應(yīng)比優(yōu)先算法是一種非搶占式算法，主要用于批處理系統(tǒng)中。該算法根據(jù)作業(yè)的響應(yīng)比進(jìn)行排序，選擇響應(yīng)比最大的作業(yè)先執(zhí)行。響應(yīng)比響應(yīng)比定義為：等待時(shí)間+服務(wù)時(shí)間/服務(wù)時(shí)間。響應(yīng)比越大，說明該作業(yè)越需要盡快執(zhí)行，否則等待時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)公平性每個(gè)進(jìn)程都獲得一定的時(shí)間片，保證了進(jìn)程之間的公平性。輪流執(zhí)行進(jìn)程輪流使用CPU，避免某個(gè)進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間占用CPU，提高系統(tǒng)吞吐量。響應(yīng)時(shí)間對(duì)于交互式進(jìn)程，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法能夠提供更快的響應(yīng)速度。上下文切換頻繁的上下文切換會(huì)增加系統(tǒng)開銷，影響系統(tǒng)性能。PCB的狀態(tài)轉(zhuǎn)換創(chuàng)建當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建新進(jìn)程時(shí)，會(huì)為其分配一個(gè)PCB，并將該P(yáng)CB置于就緒隊(duì)列中。就緒進(jìn)程已準(zhǔn)備好運(yùn)行，等待CPU資源分配，處于就緒隊(duì)列中。運(yùn)行進(jìn)程正在使用CPU資源，執(zhí)行其代碼，處于運(yùn)行狀態(tài)。等待進(jìn)程正在等待某個(gè)事件發(fā)生，例如輸入輸出操作完成，處于等待隊(duì)列中。阻塞進(jìn)程由于某種原因被阻塞，例如等待資源，處于阻塞隊(duì)列中。終止進(jìn)程完成執(zhí)行或因錯(cuò)誤而終止，其PCB將被回收。創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)的PCB初始化創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)，需要為新進(jìn)程分配一個(gè)PCB，并將PCB中的各個(gè)字段初始化。1分配內(nèi)存為PCB分配內(nèi)存空間，確保足夠容納所需信息。2設(shè)置進(jìn)程ID為進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符。3初始化狀態(tài)將進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為就緒態(tài)，等待調(diào)度執(zhí)行。4設(shè)置優(yōu)先級(jí)為進(jìn)程分配初始優(yōu)先級(jí)，可用于調(diào)度決策。初始化完成后，該P(yáng)CB就代表了這個(gè)新創(chuàng)建的進(jìn)程，并被加入系統(tǒng)中的進(jìn)程列表。進(jìn)程切換時(shí)的PCB保存與恢復(fù)進(jìn)程切換是指將CPU控制權(quán)從一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程轉(zhuǎn)移到另一個(gè)進(jìn)程，在進(jìn)程切換過程中需要保存當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，以便在該進(jìn)程下次獲得CPU時(shí)間片時(shí)能夠繼續(xù)運(yùn)行。1保存上下文將當(dāng)前進(jìn)程的寄存器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧指針等狀態(tài)信息保存到PCB中。2更新PCB狀態(tài)將當(dāng)前進(jìn)程的PCB狀態(tài)修改為就緒狀態(tài)或其他狀態(tài)。3加載上下文將要運(yùn)行的進(jìn)程的PCB中保存的上下文信息加載到寄存器和內(nèi)存中。保存PCB的目的是為了在進(jìn)程切換之后能夠恢復(fù)其運(yùn)行狀態(tài)，而恢復(fù)PCB的目的是為了讓進(jìn)程能夠繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)程終止時(shí)的PCB回收釋放資源進(jìn)程終止時(shí)，需要釋放其占用的所有系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、文件、設(shè)備等。清除PCB將進(jìn)程控制塊從系統(tǒng)中刪除，并將其占用的內(nèi)存空間釋放。更新系統(tǒng)狀態(tài)更新系統(tǒng)中的進(jìn)程信息，例如進(jìn)程數(shù)量、資源使用情況等。PCB的鏈接方式鏈表每個(gè)PCB作為鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。使用指針鏈接各個(gè)PCB，方便動(dòng)態(tài)地添加、刪除和查找。數(shù)組將PCB存儲(chǔ)在連續(xù)的內(nèi)存空間中，通過索引訪問。適合靜態(tài)分配和管理PCB?；旌戏绞浇Y(jié)合鏈表和數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)，例如使用鏈表組織就緒隊(duì)列，使用數(shù)組組織其他狀態(tài)的PCB。鏈表和數(shù)組的優(yōu)缺點(diǎn)比較鏈表的優(yōu)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，可根據(jù)需要靈活調(diào)整大小插入和刪除操作效率更高數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)訪問元素速度快，直接通過索引訪問內(nèi)存分配連續(xù)，適合存儲(chǔ)順序結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)PCB的組織方式集中式管理所有進(jìn)程的PCB都存儲(chǔ)在一個(gè)全局的PCB表中。方便系統(tǒng)統(tǒng)一管理，但效率較低，尤其在多處理器系統(tǒng)中。分散式管理每個(gè)進(jìn)程的PCB都存儲(chǔ)在該進(jìn)程所在的內(nèi)存空間中，可以提高效率，但系統(tǒng)管理更復(fù)雜。集中式管理11.管理方便集中式管理簡(jiǎn)化了系統(tǒng)管理，降低了復(fù)雜度，提高效率。22.資源共享所有進(jìn)程共享同一個(gè)PCB池，方便資源分配和管理，提高資源利用率。33.安全性高集中管理可以有效地控制對(duì)PCB的訪問，確保系統(tǒng)安全，防止數(shù)據(jù)被篡改或丟失。44.擴(kuò)展性差系統(tǒng)擴(kuò)展性受到限制，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，管理效率會(huì)降低，系統(tǒng)性能也會(huì)下降。分散式管理PCB分布式管理每個(gè)進(jìn)程的PCB存儲(chǔ)在與該進(jìn)程關(guān)聯(lián)的處理器或節(jié)點(diǎn)上。避免了集中式管理中的內(nèi)存瓶頸和單點(diǎn)故障問題。優(yōu)勢(shì)提高系統(tǒng)可靠性和可用性。減少了PCB的存儲(chǔ)壓力。PCB的管理策略11.靜態(tài)管理靜態(tài)管理是指在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)為每個(gè)進(jìn)程分配固定的PCB空間，之后不再改變。22.動(dòng)態(tài)管理動(dòng)態(tài)管理是指根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配和回收PCB空間，可以更有效地利用系統(tǒng)資源。33.混合管理混合管理是指將靜態(tài)管理和動(dòng)態(tài)管理結(jié)合起來，既能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能提高資源利用率。靜態(tài)管理概念在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，為每個(gè)進(jìn)程分配固定大小的PCB，進(jìn)程創(chuàng)建后，PCB的大小固定不變。優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，容易理解，便于系統(tǒng)管理。缺點(diǎn)空間利用率低，當(dāng)有大量進(jìn)程時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間不足。適用場(chǎng)景適用于進(jìn)程數(shù)量較少、系統(tǒng)資源相對(duì)充足的場(chǎng)景。動(dòng)態(tài)管理靈活分配系統(tǒng)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)創(chuàng)建或銷毀進(jìn)程控制塊，避免浪費(fèi)資源。提高效率允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，提高系統(tǒng)資源利用率。節(jié)省空間系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要分配PCB大小，避免浪費(fèi)內(nèi)存。內(nèi)存管理可采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)程地址空間的動(dòng)態(tài)管理。PCB管理的注意事項(xiàng)效率和性能PCB管理直接影響著操作系統(tǒng)的效率和性能，需要權(quán)衡存儲(chǔ)空間和內(nèi)存訪問時(shí)間。安全性和可靠性PCB包含了進(jìn)