《進(jìn)程及進(jìn)程管理》課件

進(jìn)程及進(jìn)程管理本課件將深入探討操作系統(tǒng)中進(jìn)程的概念及其管理機(jī)制,幫助理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行原理。從進(jìn)程的創(chuàng)建、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、調(diào)度算法等方面全面闡述進(jìn)程管理的核心內(nèi)容。課程簡(jiǎn)介系統(tǒng)化的進(jìn)程管理知識(shí)本課程全面介紹了操作系統(tǒng)中進(jìn)程的概念、特征及其生命周期管理。進(jìn)程調(diào)度和同步機(jī)制深入講解了進(jìn)程調(diào)度算法、進(jìn)程同步問題及常見的解決方案。進(jìn)程間通信方式探討了多種進(jìn)程間通信機(jī)制,如消息隊(duì)列、管道、共享內(nèi)存等。資源管理與調(diào)度分析了進(jìn)程資源分配與回收,以及作業(yè)調(diào)度和內(nèi)存管理等內(nèi)容。什么是進(jìn)程進(jìn)程的定義進(jìn)程是正在執(zhí)行的程序?qū)嵗?是系統(tǒng)資源分配的基本單位,同時(shí)也是CPU調(diào)度的基本單位。進(jìn)程的屬性進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間、程序計(jì)數(shù)器、寄存器集合和打開的文件等。這些屬性描述了進(jìn)程的狀態(tài)。進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性進(jìn)程在生命周期內(nèi)會(huì)不斷地改變狀態(tài),從創(chuàng)建、就緒、運(yùn)行、阻塞到終止等,這就是進(jìn)程的動(dòng)態(tài)性。進(jìn)程的特征動(dòng)態(tài)性進(jìn)程是動(dòng)態(tài)實(shí)體,它們會(huì)在運(yùn)行過程中不斷變化狀態(tài)。資源擁有進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)地獲取和釋放各種系統(tǒng)資源。獨(dú)立性每個(gè)進(jìn)程都是獨(dú)立的執(zhí)行單元,可以并發(fā)執(zhí)行。通信機(jī)制進(jìn)程之間可以通過某種通信機(jī)制進(jìn)行信息交換。進(jìn)程的生命周期1創(chuàng)建操作系統(tǒng)為進(jìn)程分配所需資源,如內(nèi)存空間、打開文件等,進(jìn)程開始執(zhí)行。2就緒進(jìn)程已準(zhǔn)備好執(zhí)行,等待被調(diào)度并分配CPU時(shí)間片。3運(yùn)行進(jìn)程被分配CPU時(shí)間片,在處理器上執(zhí)行指令。4等待進(jìn)程因I/O請(qǐng)求或需要等待某事件發(fā)生而暫時(shí)停止運(yùn)行。5終止進(jìn)程完成了它的任務(wù),或被操作系統(tǒng)或用戶強(qiáng)行終止。進(jìn)程的狀態(tài)就緒狀態(tài)進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行,只等待分配CPU資源即可運(yùn)行。運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程正在CPU上占用資源并執(zhí)行。阻塞狀態(tài)進(jìn)程因?yàn)榈却呈录ㄈ鏘/O操作）而暫時(shí)無法執(zhí)行。終止?fàn)顟B(tài)進(jìn)程已經(jīng)完成執(zhí)行并退出，釋放所占用的全部資源。進(jìn)程控制塊定義進(jìn)程控制塊(PCB)是操作系統(tǒng)用來描述和管理進(jìn)程的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它包含了與進(jìn)程相關(guān)的各種信息,如進(jìn)程標(biāo)識(shí)、處理機(jī)狀態(tài)和資源分配等。作用PCB作為進(jìn)程管理的核心,為操作系統(tǒng)提供了進(jìn)程調(diào)度、資源分配和進(jìn)程同步等功能,確保了進(jìn)程能夠順利地運(yùn)行。內(nèi)容PCB通常包括進(jìn)程標(biāo)識(shí)、程序計(jì)數(shù)器、處理機(jī)狀態(tài)、內(nèi)存管理信息、資源清單、優(yōu)先級(jí)信息、進(jìn)程狀態(tài)等多方面內(nèi)容。管理操作系統(tǒng)通過創(chuàng)建、更新和刪除PCB來對(duì)進(jìn)程進(jìn)行全面管理,確保進(jìn)程有序地運(yùn)行。進(jìn)程調(diào)度CPU利用率進(jìn)程調(diào)度旨在盡可能充分利用CPU資源,平衡各個(gè)進(jìn)程的CPU使用。響應(yīng)時(shí)間調(diào)度算法應(yīng)盡量縮短進(jìn)程的響應(yīng)時(shí)間,提高系統(tǒng)的交互性。公平性調(diào)度算法應(yīng)公平對(duì)待所有進(jìn)程,避免某些進(jìn)程被長期忽視。優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)進(jìn)程的重要性設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),確保關(guān)鍵任務(wù)能夠優(yōu)先執(zhí)行。進(jìn)程調(diào)度算法1先來先服務(wù)(FCFS)按照進(jìn)程到達(dá)的順序依次執(zhí)行，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)但公平性較差。2最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)優(yōu)先執(zhí)行運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，可提高系統(tǒng)吞吐量但需預(yù)先知道運(yùn)行時(shí)間。3時(shí)間片輪轉(zhuǎn)(RR)為每個(gè)進(jìn)程分配固定的時(shí)間片輪流執(zhí)行,兼顧了公平性和響應(yīng)時(shí)間。4優(yōu)先級(jí)調(diào)度(Priority)根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)確定執(zhí)行順序,可靈活設(shè)置優(yōu)先級(jí)以滿足不同需求。批處理系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度1作業(yè)提交用戶將任務(wù)以批處理作業(yè)的形式提交到系統(tǒng)中2作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)一定的調(diào)度算法和策略對(duì)作業(yè)進(jìn)行排隊(duì)調(diào)度3資源分配根據(jù)選擇的調(diào)度算法分配所需的系統(tǒng)資源4作業(yè)執(zhí)行按照調(diào)度順序依次執(zhí)行作業(yè)直至全部完成批處理系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度是一種離線的、非交互式的進(jìn)程調(diào)度機(jī)制。它主要通過作業(yè)提交、作業(yè)調(diào)度、資源分配和作業(yè)執(zhí)行等步驟來完成對(duì)批處理作業(yè)的管理和控制。這種調(diào)度策略通常側(cè)重于最大化系統(tǒng)吞吐量和資源利用率。交互式系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度1交互響應(yīng)性快速響應(yīng)用戶輸入2公平性確保每個(gè)用戶都得到合理的CPU時(shí)間3優(yōu)先級(jí)區(qū)分重要進(jìn)程和普通進(jìn)程交互式系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度需要平衡響應(yīng)速度、用戶公平性和進(jìn)程優(yōu)先級(jí)。快速響應(yīng)用戶輸入是關(guān)鍵,同時(shí)還要確保每個(gè)用戶都能得到合理的CPU時(shí)間。通過設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí),可以確保關(guān)鍵進(jìn)程得到優(yōu)先處理。實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度1實(shí)時(shí)性要求滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束2優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)任務(wù)的重要性和緊迫性進(jìn)行調(diào)度3可預(yù)測(cè)性確保關(guān)鍵任務(wù)能按時(shí)完成4低延遲最小化任務(wù)響應(yīng)時(shí)間實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程調(diào)度有特殊要求。它必須滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束,確保關(guān)鍵任務(wù)能按時(shí)完成。調(diào)度算法必須考慮任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和緊迫性,并盡量減少延遲,以保證可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)行為。進(jìn)程同步問題同步互斥進(jìn)程在訪問共享資源時(shí)需要進(jìn)行同步協(xié)調(diào),避免出現(xiàn)資源競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)不一致問題。流程控制進(jìn)程之間的執(zhí)行順序必須按照一定的規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度,確保操作的正確性和效率。信息交換進(jìn)程之間需要通過有效的通信機(jī)制交換信息,以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作和及時(shí)響應(yīng)。臨界區(qū)問題什么是臨界區(qū)?臨界區(qū)指的是一個(gè)獨(dú)占性資源,同一時(shí)間只允許一個(gè)進(jìn)程訪問的代碼段。這種資源的訪問必須是互斥的,以確保數(shù)據(jù)的一致性。臨界區(qū)問題的挑戰(zhàn)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問臨界區(qū)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng),從而造成不一致的結(jié)果。如何確保臨界區(qū)的訪問是互斥的,是臨界區(qū)問題需要解決的核心挑戰(zhàn)。互斥的實(shí)現(xiàn)互斥原語通過系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單的互斥機(jī)制,如測(cè)試-設(shè)置指令。信號(hào)量機(jī)制使用信號(hào)量對(duì)共享資源進(jìn)行訪問控制,確?；コ?。鎖機(jī)制使用互斥鎖(互斥量)來保護(hù)臨界區(qū),確保一次只有一個(gè)進(jìn)程訪問。管程機(jī)制利用管程中的條件變量和互斥鎖實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥。信號(hào)量機(jī)制引入信號(hào)量信號(hào)量是一種進(jìn)程同步機(jī)制,通過記錄可用資源的數(shù)量來控制對(duì)共享資源的訪問。信號(hào)量的操作通過P操作（申請(qǐng)）和V操作（釋放）來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的訪問控制。信號(hào)量的應(yīng)用信號(hào)量廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題等多種進(jìn)程同步場(chǎng)景。管程機(jī)制并行控制管程通過使用監(jiān)視器和條件變量來實(shí)現(xiàn)對(duì)并行執(zhí)行流程的監(jiān)控和控制,確保進(jìn)程安全地訪問臨界資源。同步機(jī)制管程提供了高級(jí)的同步機(jī)制,允許進(jìn)程間有條件地等待和喚醒,避免了繁瑣的手工編碼。死鎖預(yù)防管程通過內(nèi)置的資源管理和調(diào)度邏輯,可以有效地避免死鎖的發(fā)生,提高了并發(fā)系統(tǒng)的可靠性。死鎖概念定義死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程因爭(zhēng)奪資源而陷入僵局的情況。各進(jìn)程都在等待其他進(jìn)程釋放資源，但沒有任何進(jìn)程能夠繼續(xù)執(zhí)行。產(chǎn)生原因死鎖的產(chǎn)生需要滿足四個(gè)必要條件:互斥、占有和等待、不可搶占和循環(huán)等待。只要其中一個(gè)條件不成立,就不會(huì)出現(xiàn)死鎖。死鎖的必要條件互斥性系統(tǒng)資源必須唯一被一個(gè)進(jìn)程使用,不允許共享。占有且等待進(jìn)程已經(jīng)占用一些資源,同時(shí)又申請(qǐng)新的資源,但新資源無法立即分配。不可剝奪已分配給一個(gè)進(jìn)程的資源不能被強(qiáng)制性地從該進(jìn)程手中奪走。循環(huán)等待存在一個(gè)進(jìn)程集合{P0,P1,...Pn}，P0占用資源R1,P1占用資源R2,...Pn占用資源R0且R0被P0占用。死鎖的預(yù)防與避免1合理分配資源合理分配資源并控制資源的使用可以有效地預(yù)防死鎖的發(fā)生。2動(dòng)態(tài)檢測(cè)與解決實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)程狀態(tài)并動(dòng)態(tài)檢測(cè)潛在的死鎖問題,及時(shí)解決。3銀行家算法采用銀行家算法可以事先判斷是否會(huì)發(fā)生死鎖,從而避免死鎖。4死鎖恢復(fù)當(dāng)發(fā)生死鎖時(shí),可以通過殺死進(jìn)程或撤銷資源分配來恢復(fù)系統(tǒng)。死鎖的檢測(cè)與解決死鎖檢測(cè)通過構(gòu)建資源分配圖或等待圖，分析圖中是否存在環(huán)路來檢測(cè)是否發(fā)生死鎖。死鎖解決主要方法包括死鎖預(yù)防、死鎖避免和死鎖檢測(cè)與恢復(fù)。選擇合適的方法可以有效解決死鎖問題。死鎖恢復(fù)一旦檢測(cè)到死鎖，可以通過搶占資源、撤銷進(jìn)程等方式來打破死鎖循環(huán)，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。進(jìn)程間通信機(jī)制共享內(nèi)存進(jìn)程可以通過直接訪問共享的內(nèi)存區(qū)域來交換數(shù)據(jù),這是最快速有效的通信方式。但需要注意互斥訪問和同步機(jī)制。管道通信通過管道在進(jìn)程之間傳遞數(shù)據(jù)流,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的單向異步通信。管道可以是匿名的也可以是命名的。消息隊(duì)列進(jìn)程可以向消息隊(duì)列發(fā)送和接收消息,這是一種更加靈活的異步通信方式,可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的雙向通信。消息隊(duì)列什么是消息隊(duì)列?消息隊(duì)列是一種進(jìn)程間通信的機(jī)制,它允許進(jìn)程通過發(fā)送和接收消息來進(jìn)行交互和同步。消息被存儲(chǔ)在隊(duì)列中,等待接收進(jìn)程獲取處理。消息隊(duì)列的特點(diǎn)異步通信:發(fā)送方和接收方不需要同時(shí)在線緩存機(jī)制:消息暫時(shí)存儲(chǔ)在隊(duì)列中,避免因接收方暫時(shí)不可用而丟失信息解耦設(shè)計(jì):發(fā)送方和接收方解耦,有利于系統(tǒng)可擴(kuò)展性管道機(jī)制數(shù)據(jù)流傳輸管道可以在進(jìn)程之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。無格式數(shù)據(jù)管道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是無格式的字節(jié)流,可以傳輸任意類型的數(shù)據(jù)。先進(jìn)先出數(shù)據(jù)在管道中按照先進(jìn)先出的順序流動(dòng),保證了數(shù)據(jù)的時(shí)序性。緩沖機(jī)制管道內(nèi)部提供緩沖區(qū),可以暫時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),避免數(shù)據(jù)發(fā)送和接收之間的速度差異。共享內(nèi)存內(nèi)存共享多個(gè)進(jìn)程可以訪問同一塊物理內(nèi)存區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高效的信息傳遞。訪問控制需要通過同步機(jī)制如互斥鎖來控制對(duì)共享內(nèi)存的訪問，避免競(jìng)爭(zhēng)條件。性能優(yōu)勢(shì)相比管道或消息隊(duì)列等機(jī)制，共享內(nèi)存可以實(shí)現(xiàn)更快的進(jìn)程間通信。編程復(fù)雜性需要設(shè)計(jì)合理的同步機(jī)制來處理并發(fā)訪問問題，增加了編程難度。套接字網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)套接字是網(wǎng)絡(luò)編程中實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信的基本機(jī)制,是一種抽象層,為應(yīng)用程序提供了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)訪問接口。套接字類型主要包括流式套接字(TCP)和數(shù)據(jù)報(bào)套接字(UDP),前者提供可靠的面向連接的通信,后者提供無連接的不可靠通信。使用流程創(chuàng)建套接字、綁定到本地地址和端口、監(jiān)聽來自客戶端的連接請(qǐng)求、接受連接并處理數(shù)據(jù)交換?？缙脚_(tái)特性套接字是操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)編程接口,可跨平臺(tái)使用,使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序具有良好的移植性。遠(yuǎn)程過程調(diào)用概念解釋遠(yuǎn)程過程調(diào)用(RPC)是一種跨進(jìn)程通信技術(shù),允許客戶端程序以同步或異步的方式調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器上的方法。通過RPC,客戶端可以無縫地訪問和使用遠(yuǎn)程服務(wù)器提供的功能。主要特點(diǎn)RPC使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在不同機(jī)器或進(jìn)程之間傳輸數(shù)據(jù),隱藏了底層網(wǎng)絡(luò)通信細(xì)節(jié),為開發(fā)人員提供了一種簡(jiǎn)單易用的編程接口。典型應(yīng)用場(chǎng)景RPC廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)、微服務(wù)架構(gòu)、云計(jì)算等領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)之間的無縫集成和數(shù)據(jù)交換。主要實(shí)現(xiàn)方式常見的RPC框架包括gRPC、Thrift、Dubbo等,它們提供了完整的通信協(xié)議規(guī)范以及客戶端和服務(wù)端的開發(fā)工具。進(jìn)程資源分配與回收1資源分配策略操作系統(tǒng)需要制定合理的資源分配策略,確保進(jìn)程能夠高效利用系統(tǒng)資源。2內(nèi)存管理為進(jìn)程動(dòng)態(tài)分配和回收內(nèi)存,避免內(nèi)存泄漏和資源浪費(fèi)。3I/O管理合理分配I/O設(shè)備,滿足進(jìn)程的I/O需求,提高系統(tǒng)利用率。4死鎖處理檢測(cè)和預(yù)防死鎖問題,保證進(jìn)程能夠順利獲取所需資源。作業(yè)調(diào)度任務(wù)調(diào)度合理安排各類作業(yè)任務(wù)的時(shí)間和順序,提高資源利用率和系統(tǒng)吞吐量。優(yōu)先級(jí)管理根據(jù)任務(wù)的重要性和緊急程度制定不同的優(yōu)先級(jí)策略,確保關(guān)鍵任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行。作業(yè)調(diào)度算法選擇合適的調(diào)度算法,如先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)等,提高系統(tǒng)性能。負(fù)載均衡合理分配作業(yè)任務(wù),避免資源瓶頸,提高系統(tǒng)的整體處理能力。內(nèi)存管理內(nèi)存分配系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用程序的需求動(dòng)態(tài)