《進程及進程管理》課件

進程及進程管理進程的概念與定義程序程序是一組指令，其本身是靜態(tài)的，它只是存儲在磁盤上的數據。進程進程是程序在執(zhí)行時的動態(tài)過程，它包括程序代碼、數據、系統(tǒng)資源和進程控制塊。進程的組成部分程序程序是靜態(tài)的指令序列，是進程執(zhí)行的依據。數據數據是程序執(zhí)行時所需要操作的信息，包括程序運行時所需的輸入數據、中間結果和輸出數據等。進程控制塊(PCB)進程控制塊是操作系統(tǒng)用來管理進程的重要數據結構，它保存了進程的各種信息。進程的狀態(tài)運行狀態(tài)進程正在CPU上執(zhí)行。就緒狀態(tài)進程已準備好運行，等待CPU分配。阻塞狀態(tài)進程正在等待某個事件發(fā)生，例如I/O完成或資源可用。進程控制塊進程標識符唯一標識每個進程進程狀態(tài)描述進程當前狀態(tài)進程內存信息記錄進程在內存中的地址和大小進程的創(chuàng)建與終止1創(chuàng)建資源分配2終止釋放資源3執(zhí)行狀態(tài)轉換進程切換保存上下文將當前運行進程的CPU寄存器、程序計數器和內存狀態(tài)保存到進程控制塊(PCB)中。加載上下文將要運行的進程的PCB中的上下文信息加載到CPU中，以便繼續(xù)執(zhí)行。更新PCB更新PCB的狀態(tài)，例如將當前進程狀態(tài)更改為就緒或阻塞。進程調度算法分配CPU資源調度程序負責選擇一個就緒進程并將其分配給CPU執(zhí)行。優(yōu)化系統(tǒng)性能不同的調度算法目標不同，例如提高吞吐量、減少響應時間或提高公平性。調度算法分類常見的調度算法包括先來先服務、短作業(yè)優(yōu)先、時間片輪轉和多級反饋隊列等。先來先服務(FCFS)算法簡單易懂FCFS算法簡單易于理解和實現，易于管理。公平性每個進程都按照到達時間順序執(zhí)行，保證了公平性。效率低下該算法沒有考慮進程的執(zhí)行時間，可能導致短進程被長進程阻塞，降低系統(tǒng)效率。短作業(yè)優(yōu)先(SJF)算法算法原理該算法選擇當前就緒隊列中預計運行時間最短的進程優(yōu)先運行。它可以有效地提高系統(tǒng)吞吐量，減少平均等待時間。優(yōu)勢能夠有效地減少平均等待時間，提高系統(tǒng)吞吐量。劣勢無法準確預測進程的實際運行時間，可能導致長作業(yè)長時間等待，造成饑餓現象。時間片輪轉(RR)算法輪流分配每個進程被分配一個固定時間片，并在時間片結束時被強制切換到下一個進程，從而實現進程間的輪流執(zhí)行。公平性這種算法可以保證所有進程都有機會獲得CPU時間，避免了某些進程長時間霸占CPU資源。響應時間RR算法可以有效地縮短交互式進程的響應時間，因為即使一個進程沒有完成，也能夠及時響應用戶的請求。多級反饋隊列算法1優(yōu)先級隊列將進程按優(yōu)先級分為多個隊列，高優(yōu)先級隊列的進程優(yōu)先執(zhí)行。2時間片輪轉每個隊列都使用時間片輪轉調度，時間片大小隨隊列優(yōu)先級遞減。3進程遷移如果進程在某個隊列的時間片用完，則會降級到下一個優(yōu)先級隊列。4動態(tài)調整進程的優(yōu)先級可以根據其執(zhí)行情況進行動態(tài)調整，例如長時間等待的進程可以提升優(yōu)先級。實時調度算法實時調度算法需要滿足時間限制,對事件作出快速反應.實時系統(tǒng)需要在嚴格的時間范圍內完成任務.實時系統(tǒng)需要確保任務在規(guī)定的時間內完成,避免延遲或錯誤.進程同步概念1共享資源多個進程需要訪問同一共享資源時，需要同步操作。2并發(fā)執(zhí)行同步是為了確保進程之間相互協調，有序地訪問共享資源，避免沖突。3協調合作同步機制可以保證進程之間的合作，實現復雜的系統(tǒng)功能。臨界區(qū)與臨界資源臨界區(qū)在多道程序環(huán)境中，多個進程可能需要訪問相同的資源。例如，共享變量、文件、設備等。臨界資源臨界資源是指在同一時刻只允許一個進程訪問的資源，例如打印機、文件等。當多個進程要訪問同一臨界資源時，就可能出現沖突。進程同步的實現方式1信號量機制通過信號量計數器控制進程的同步與互斥訪問。2管程機制提供數據結構和操作，簡化同步操作，確保數據的一致性。3消息傳遞機制進程之間通過發(fā)送和接收消息實現同步，適用于不同平臺的進程通信。信號量機制定義信號量是一種用于進程同步的機制，它本質上是一個計數器，用于控制對共享資源的訪問。操作信號量支持兩種操作：等待（P操作）和釋放（V操作）。使用場景信號量常用于解決生產者-消費者問題、讀者-寫者問題等經典同步問題。管程機制數據和方法的封裝將共享數據和對該數據的操作封裝在一個抽象數據類型中，稱為管程?；コ庠L問一次只允許一個進程進入管程，確保對共享數據的互斥訪問。同步機制管程內部包含條件變量和等待/喚醒操作，用于協調進程間的同步。死鎖的概念與必要條件互鎖狀態(tài)兩個或多個進程無限期地阻塞等待對方釋放資源，從而無法繼續(xù)執(zhí)行。必要條件死鎖發(fā)生的必要條件包括：互斥、持有并等待、不可剝奪、循環(huán)等待。死鎖的預防、避免與檢測死鎖預防通過破壞死鎖發(fā)生的必要條件來防止死鎖的發(fā)生。例如，可以采用資源預分配的方式，在進程開始運行之前分配所有需要的資源，從而避免由于資源競爭而導致的死鎖。死鎖避免在進程請求資源時，根據系統(tǒng)當前的資源狀態(tài)和進程未來的資源需求，動態(tài)地決定是否分配資源，從而避免死鎖的發(fā)生。例如，銀行家算法就是一種經典的死鎖避免算法。死鎖檢測允許死鎖發(fā)生，但系統(tǒng)會定期檢測系統(tǒng)中是否發(fā)生了死鎖。如果檢測到死鎖，則采取措施來解除死鎖。例如，可以終止死鎖的進程或回收死鎖進程持有的資源。死鎖的解決方法1預防通過破壞死鎖產生的必要條件來防止死鎖的發(fā)生。2避免在資源分配過程中，通過動態(tài)地檢測資源狀態(tài)來避免死鎖的發(fā)生。3檢測與解除檢測系統(tǒng)中是否發(fā)生了死鎖，并采取措施來解除死鎖。內存管理概述內存管理是操作系統(tǒng)中重要的組成部分。它負責管理計算機系統(tǒng)中寶貴的內存資源，以確保程序能夠高效地運行。內存分配將物理內存分配給不同的進程或程序，確保每個程序都有足夠的內存空間運行。內存保護防止程序訪問其他程序的內存空間，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。連續(xù)分配方式單一分區(qū)分配內存被劃分為一個分區(qū)，一個進程占據整個分區(qū)。固定分區(qū)分配內存被劃分為多個固定大小的分區(qū)，每個進程占據一個分區(qū)?？勺兎謪^(qū)分配內存根據進程的大小動態(tài)劃分分區(qū)，每個進程占據一個可變大小的分區(qū)。分頁存儲管理物理地址空間將內存劃分為大小相等的頁面，每個頁面對應一個頁號。邏輯地址空間將進程的地址空間劃分為相同大小的頁，每個頁對應一個頁號。頁表建立邏輯地址和物理地址之間的映射關系，存放每個頁面的物理地址。分段存儲管理將程序地址空間劃分為若干個大小不等的段，每個段對應程序的邏輯單元。每個段可以分配到內存中的任何地方，不必連續(xù)。段表用于記錄段在內存中的地址和大小，每個條目對應一個段。虛擬存儲器1擴大地址空間將邏輯地址空間擴展到物理地址空間，允許程序大于可用物理內存。2提高多道程序度允許多個程序同時駐留在內存中，提高系統(tǒng)資源利用率。3簡化內存管理用戶無需關注物理內存分配，系統(tǒng)自動管理，簡化編程和系統(tǒng)設計。頁面置換算法先進先出(FIFO)最早進入內存的頁面最先被淘汰。最佳置換算法(OPT)淘汰未來最長時間內不會被訪問的頁面。最近最少使用(LRU)淘汰最近最長時間未被使用的頁面。時鐘算法(CLOCK)結合FIFO和LRU，提高效率。工作集理論頁面訪問頻率時間局部性空間局部性抖動問題及解決方法頁面置換頻繁頻繁的頁面置換會導致CPU和內存之間的數據傳輸量增加，降低系統(tǒng)性能。工作集大小變化當工作集大小發(fā)生變化時，需要頻繁進行頁面置換，導致系統(tǒng)性能下降。算法優(yōu)化選擇合適的頁面置換算法，如最佳置換算法，可以有效減少抖動問題。內存擴容增加內存容量可以減少頁面置換次數，從而減少抖動問題。作業(yè)和