《進(jìn)程和處理機(jī)管理》課件

進(jìn)程和處理機(jī)管理本課件將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念，包括進(jìn)程和處理機(jī)管理。學(xué)習(xí)進(jìn)程和處理機(jī)管理的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，了解操作系統(tǒng)如何管理和調(diào)度這些資源，以及如何優(yōu)化系統(tǒng)性能。課程大綱進(jìn)程和處理機(jī)管理操作系統(tǒng)核心概念之一，深入理解進(jìn)程、處理機(jī)、內(nèi)存管理等核心內(nèi)容，掌握其原理和實(shí)現(xiàn)方法。核心概念進(jìn)程的概念、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進(jìn)程控制塊、進(jìn)程調(diào)度、死鎖的產(chǎn)生和處理內(nèi)存管理連續(xù)分配方式、分頁(yè)存儲(chǔ)管理、分段存儲(chǔ)管理、虛擬存儲(chǔ)器，了解不同內(nèi)存管理機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)。進(jìn)程的概念進(jìn)程是一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，包含了程序的代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，每個(gè)進(jìn)程都擁有自己的獨(dú)立的地址空間和系統(tǒng)資源。進(jìn)程的狀態(tài)就緒狀態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備就緒，等待分配處理機(jī)。運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)程已分配到處理機(jī)，正在執(zhí)行。阻塞狀態(tài)進(jìn)程正在等待某個(gè)事件發(fā)生，如I/O操作完成或資源可用。進(jìn)程控制塊進(jìn)程控制塊（PCB）是操作系統(tǒng)用來(lái)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)行所需的關(guān)鍵信息。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)唯一的PCB，用于跟蹤和控制進(jìn)程的執(zhí)行。PCB中包含進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、進(jìn)程狀態(tài)、程序計(jì)數(shù)器、CPU寄存器、內(nèi)存地址空間、文件描述符、優(yōu)先級(jí)等信息。這些信息允許操作系統(tǒng)有效地管理進(jìn)程，例如創(chuàng)建、調(diào)度、切換和終止進(jìn)程。進(jìn)程的創(chuàng)建1分配資源為新進(jìn)程分配必要的系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、文件等。2創(chuàng)建PCB為新進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程控制塊(PCB)，存儲(chǔ)相關(guān)信息。3初始化PCB初始化PCB中的各個(gè)字段，例如進(jìn)程狀態(tài)、優(yōu)先級(jí)等。4加入就緒隊(duì)列將新進(jìn)程加入到就緒隊(duì)列中，等待調(diào)度執(zhí)行。進(jìn)程創(chuàng)建的過(guò)程涉及一系列步驟，從分配資源到初始化進(jìn)程控制塊，最終將新進(jìn)程加入就緒隊(duì)列等待執(zhí)行。進(jìn)程的切換保存當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)保存CPU寄存器、程序計(jì)數(shù)器、內(nèi)存狀態(tài)等信息。加載新進(jìn)程狀態(tài)將待運(yùn)行進(jìn)程的上下文信息加載到內(nèi)存。切換到新進(jìn)程將CPU控制權(quán)交給新進(jìn)程，使其開(kāi)始執(zhí)行。進(jìn)程的終止1進(jìn)程釋放資源釋放占用的內(nèi)存、文件和其他資源。2通知父進(jìn)程向父進(jìn)程發(fā)送終止信號(hào)，通知其子進(jìn)程已終止。3從進(jìn)程表中刪除從操作系統(tǒng)維護(hù)的進(jìn)程表中刪除該進(jìn)程。進(jìn)程終止是指結(jié)束一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程。這是一個(gè)正常且必要的過(guò)程，因?yàn)檫M(jìn)程可能完成任務(wù)或遇到錯(cuò)誤而需要停止。進(jìn)程調(diào)度策略進(jìn)程調(diào)度進(jìn)程調(diào)度是指操作系統(tǒng)決定哪個(gè)進(jìn)程應(yīng)該在什么時(shí)候運(yùn)行，并分配CPU資源的過(guò)程。進(jìn)程調(diào)度策略可以分為兩種：搶占式和非搶占式。調(diào)度目標(biāo)提高CPU利用率，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)現(xiàn)公平調(diào)度，滿足不同進(jìn)程對(duì)資源的需求。常見(jiàn)的進(jìn)程調(diào)度策略包括先來(lái)先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級(jí)調(diào)度、多級(jí)反饋隊(duì)列算法等。短期調(diào)度CPU分配短期調(diào)度器負(fù)責(zé)將就緒狀態(tài)的進(jìn)程分配給CPU。它選擇一個(gè)進(jìn)程并將其裝入內(nèi)存，準(zhǔn)備執(zhí)行?？焖夙憫?yīng)短期調(diào)度器的目標(biāo)是快速做出調(diào)度決策，以最大程度地減少上下文切換開(kāi)銷(xiāo)并保持系統(tǒng)效率。動(dòng)態(tài)決策短期調(diào)度器根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)、內(nèi)存需求和其他因素做出實(shí)時(shí)決策，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。中期調(diào)度11.降低內(nèi)存占用暫時(shí)將一些進(jìn)程從內(nèi)存中移出到外存中，以降低內(nèi)存的占用率。22.提高系統(tǒng)吞吐量將處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程移出內(nèi)存，可以為其他等待運(yùn)行的進(jìn)程騰出空間。33.平衡系統(tǒng)資源通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)存中運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)量，可以提高系統(tǒng)資源的利用率。44.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性避免由于內(nèi)存不足導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。長(zhǎng)期調(diào)度長(zhǎng)期調(diào)度長(zhǎng)期調(diào)度又稱為作業(yè)調(diào)度。它決定哪些作業(yè)可以進(jìn)入系統(tǒng)，并分配系統(tǒng)資源。通常，長(zhǎng)期調(diào)度運(yùn)行頻率很低，僅在系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)行。長(zhǎng)期調(diào)度的作用選擇合適的作業(yè)進(jìn)入系統(tǒng)可以有效地利用系統(tǒng)資源，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在多用戶環(huán)境下，需要選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)進(jìn)入系統(tǒng)，以滿足不同用戶的需求。先來(lái)先服務(wù)算法排隊(duì)順序先來(lái)先服務(wù)算法按照進(jìn)程到達(dá)系統(tǒng)的時(shí)間順序進(jìn)行調(diào)度，先到達(dá)的進(jìn)程優(yōu)先獲得處理機(jī)。簡(jiǎn)單易懂此算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外的信息和計(jì)算，是一種直觀的調(diào)度策略。公平性算法對(duì)所有進(jìn)程公平，不會(huì)對(duì)任何進(jìn)程進(jìn)行歧視，但可能導(dǎo)致效率低下。最短作業(yè)優(yōu)先算法算法簡(jiǎn)介最短作業(yè)優(yōu)先算法(SJF)是一種非搶占式調(diào)度算法。它會(huì)選擇預(yù)計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)進(jìn)行調(diào)度，并一直運(yùn)行到完成。優(yōu)點(diǎn)SJF算法可以最大程度地減少平均等待時(shí)間，提高系統(tǒng)效率。缺點(diǎn)SJF算法需要預(yù)知每個(gè)作業(yè)的運(yùn)行時(shí)間，這在實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)。此外，它可能會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)作業(yè)長(zhǎng)時(shí)間等待，無(wú)法獲得資源。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法時(shí)間片系統(tǒng)為每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片，當(dāng)時(shí)間片用完時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)強(qiáng)制剝奪該進(jìn)程的CPU使用權(quán)，并將CPU資源分配給其他進(jìn)程。輪轉(zhuǎn)進(jìn)程按照先來(lái)先服務(wù)的順序排隊(duì)，輪流獲得CPU時(shí)間片。優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法優(yōu)先級(jí)每個(gè)進(jìn)程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程優(yōu)先執(zhí)行。動(dòng)態(tài)調(diào)整動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級(jí)，比如等待時(shí)間長(zhǎng)的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)會(huì)提高。問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象，即某些低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程長(zhǎng)期無(wú)法獲得CPU。多級(jí)反饋隊(duì)列算法多級(jí)反饋隊(duì)列算法它是一種常用的進(jìn)程調(diào)度算法。它根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和等待時(shí)間，將進(jìn)程分配到不同的隊(duì)列中進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片在每個(gè)隊(duì)列中，進(jìn)程都按照時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行調(diào)度，并根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)整。動(dòng)態(tài)調(diào)整算法可以根據(jù)進(jìn)程的實(shí)際運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片，提高系統(tǒng)效率。死鎖的概念死鎖是多個(gè)進(jìn)程因競(jìng)爭(zhēng)資源而陷入的一種僵局，所有進(jìn)程都處于等待狀態(tài)，無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，導(dǎo)致系統(tǒng)資源無(wú)法得到有效利用。死鎖的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐上到y(tǒng)崩潰，因此需要采取措施預(yù)防和解決死鎖問(wèn)題。死鎖的產(chǎn)生條件互斥條件資源只能被一個(gè)進(jìn)程使用，其他進(jìn)程無(wú)法訪問(wèn)。占有并請(qǐng)求條件進(jìn)程已經(jīng)占有一部分資源，并請(qǐng)求其他資源，但其他資源被其他進(jìn)程占有。不可剝奪條件進(jìn)程已占有的資源在未完成使用前不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪走。循環(huán)等待條件多個(gè)進(jìn)程形成循環(huán)等待資源關(guān)系，每個(gè)進(jìn)程都在等待下一個(gè)進(jìn)程所持有的資源。死鎖的預(yù)防11.剝奪資源如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)占有了若干資源，而它又申請(qǐng)新的資源，但該資源暫時(shí)不能滿足，則該進(jìn)程可以釋放它已經(jīng)占有的資源。22.順序資源分配對(duì)所有資源類型進(jìn)行排序，每個(gè)進(jìn)程必須按照資源類型的順序申請(qǐng)資源。33.避免循環(huán)等待避免進(jìn)程之間相互等待，可以通過(guò)設(shè)置資源分配順序或者限制進(jìn)程申請(qǐng)資源的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。死鎖的避免銀行家算法銀行家算法是一種動(dòng)態(tài)資源分配算法，它可以有效地避免死鎖的發(fā)生。該算法通過(guò)預(yù)先檢查系統(tǒng)資源，確保在滿足安全狀態(tài)的情況下分配資源，從而防止死鎖的出現(xiàn)。資源預(yù)留在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，預(yù)先為其分配所有需要的資源，避免在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)橘Y源不足而發(fā)生死鎖。這可以通過(guò)限制每個(gè)進(jìn)程的最大資源需求來(lái)實(shí)現(xiàn)，但可能會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)和系統(tǒng)效率降低。死鎖的檢測(cè)與解除死鎖檢測(cè)利用系統(tǒng)資源分配圖或其他算法檢測(cè)死鎖狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，則需要解除死鎖。死鎖解除通過(guò)撤銷(xiāo)進(jìn)程、剝奪資源或回滾操作等方式，打破循環(huán)等待關(guān)系，解除死鎖。內(nèi)存管理概述內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存資源，以滿足各種程序運(yùn)行的需要。內(nèi)存管理的目的是提高內(nèi)存利用率，避免內(nèi)存碎片，提高程序執(zhí)行效率。連續(xù)分配方式單一連續(xù)分配將整個(gè)內(nèi)存空間劃分成兩個(gè)區(qū)域：操作系統(tǒng)區(qū)和用戶進(jìn)程區(qū)。用戶進(jìn)程獨(dú)占一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存空間，并與操作系統(tǒng)共享內(nèi)存資源。分區(qū)分配將整個(gè)內(nèi)存空間劃分成若干個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)可以分配給一個(gè)進(jìn)程。內(nèi)存碎片由于內(nèi)存空間的劃分，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間的浪費(fèi)，形成“內(nèi)存碎片”，降低內(nèi)存空間利用率。分頁(yè)存儲(chǔ)管理1內(nèi)存劃分將內(nèi)存空間劃分為大小相等的頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面擁有獨(dú)立的頁(yè)號(hào)。2程序劃分將程序劃分成大小相同的頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面對(duì)應(yīng)一個(gè)頁(yè)號(hào)。3地址映射邏輯地址由頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移量構(gòu)成，物理地址由頁(yè)框號(hào)和頁(yè)內(nèi)偏移量構(gòu)成。4頁(yè)面替換當(dāng)所需頁(yè)面不在內(nèi)存中時(shí)，需要從內(nèi)存中替換一個(gè)頁(yè)面。分段存儲(chǔ)管理程序的邏輯結(jié)構(gòu)分段存儲(chǔ)管理以程序的邏輯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將程序劃分成多個(gè)邏輯段，例如代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段等。每個(gè)段的大小可以不同，但必須是連續(xù)的邏輯地址空間。地址映射每個(gè)段都有自己的段號(hào)，系統(tǒng)使用段號(hào)和段內(nèi)偏移地址來(lái)定位程序中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)段表，用于存儲(chǔ)每個(gè)段的起始地址和段長(zhǎng)等信息，方便地址映射。虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它使用硬盤(pán)作為主內(nèi)存的擴(kuò)展。虛擬存儲(chǔ)器允許程序使用比物理內(nèi)存更多的內(nèi)存，這使得可以運(yùn)行更大的程序，并提高系統(tǒng)性能。頁(yè)面置換算法最優(yōu)頁(yè)面置換算法該算法選擇未來(lái)最長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。性能最佳，但無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。先進(jìn)先出（FIFO）算法選擇在內(nèi)存中駐留時(shí)間最長(zhǎng)的頁(yè)面進(jìn)行替換。實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但容易出現(xiàn)“抖動(dòng)”現(xiàn)象。最久未使用（LRU）算法選擇最近最長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被訪問(wèn)的頁(yè)面進(jìn)行替換。性能較好，但需要記錄每個(gè)頁(yè)面的訪問(wèn)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。時(shí)鐘算法通過(guò)一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面置換。每次選擇下一個(gè)頁(yè)面時(shí)，檢查其訪問(wèn)位。若訪問(wèn)位為1，則將其清零，并繼續(xù)選擇下一個(gè)頁(yè)面。作業(yè)和進(jìn)程的區(qū)別作業(yè)作業(yè)是一個(gè)完整的應(yīng)用程序，包含程