《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(jī)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(jì)算機(jī)程序關(guān)于數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，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(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)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(yùn)動(dòng)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(shí)符、處理機(jī)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(duì)進(jìn)程的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(yàn)，如快速響應(yīng)、平滑運(yùn)行等。用戶體驗(yàn)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(qǐng)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(gè)新進(jìn)程通常需要以下步驟：申請(qǐng)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(duì)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(cuò)誤、接收到特定信號(hào)等）。處理方式當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，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(shí)子進(jìn)程將成為孤兒進(jìn)程。為了避免孤兒進(jìn)程對(duì)系統(tǒng)資源造成浪費(fèi)，操作系統(tǒng)通常會(huì)將其父進(jìn)程設(shè)置為init進(jìn)程（或類似的系統(tǒng)級(jí)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(duì)系統(tǒng)的影響，父進(jìn)程需要在子進(jìn)程結(jié)束后及時(shí)回收其資源，或者通過信號(hào)機(jī)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(gè)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(gè)新進(jìn)程。fork()函數(shù)會(huì)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(gè)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(gè)進(jìn)程。exit()函數(shù)會(huì)向父進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)，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(shí)，exit()函數(shù)還可以返回一個(gè)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(gè)進(jìn)程同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致和錯(cuò)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(shí)現(xiàn)互斥。軟件方法利用特殊硬件指令實(shí)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(hào)量定義一個(gè)整型變量，用于表示系統(tǒng)中某種資源的數(shù)量。應(yīng)用場(chǎng)景用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥，如生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題等。信號(hào)量操作P操作（申請(qǐng)資源）和V操作（釋放資源）。信號(hào)量機(jī)制原理與應(yīng)用生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題01生產(chǎn)者和消費(fèi)者共享一個(gè)緩沖區(qū)，生產(chǎn)者將產(chǎn)品放入緩沖區(qū)，消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出產(chǎn)品消費(fèi)。需要保證生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿時(shí)等待，消費(fèi)者在緩沖區(qū)空時(shí)等待。讀者-寫者問題02多個(gè)進(jìn)程共享一個(gè)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(gè)讀者可以同時(shí)讀取文件，但寫者在修改文件時(shí)需要獨(dú)占訪問。哲學(xué)家進(jìn)餐問題03五個(gè)哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，思考和進(jìn)餐交替進(jìn)行。每個(gè)哲學(xué)家之間有一只筷子，進(jìn)餐時(shí)需要拿起左右兩只筷子。需要保證不會(huì)出現(xiàn)死鎖情況。經(jīng)典同步問題剖析利用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題設(shè)置三個(gè)信號(hào)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(qǐng)mutex鎖；生產(chǎn)完成后釋放mutex鎖并增加full的值。消費(fèi)者在消費(fèi)產(chǎn)品前需要等待full大于0，然后申請(qǐng)mutex鎖；消費(fèi)完成后釋放mutex鎖并增加empty的值。利用管程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)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(fèi)者進(jìn)程通過調(diào)用管程中的過程來實(shí)現(xiàn)同步和互斥。管程內(nèi)部包含了一個(gè)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(fèi)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(fèi)者問題實(shí)現(xiàn)04進(jìn)程通信機(jī)制多個(gè)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(shí)現(xiàn)信息交換。原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景通信速度快，適合大量數(shù)據(jù)傳輸。需要同步機(jī)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(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)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(dòng)，通常用于父子進(jìn)程間的通信。優(yōu)點(diǎn)簡單易用，適合父子進(jìn)程間通信。缺點(diǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交換和同步。04注意事項(xiàng)：在讀寫管道時(shí)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(gè)實(shí)體，是CPU調(diào)度和分派的基本單位，它擁有獨(dú)立的運(yùn)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(jí)，創(chuàng)建、銷毀和切換速度更快；多個(gè)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(dú)立性較差，一個(gè)線程的崩潰可能影響整個(gè)進(jìn)程。線程定義及屬性比較123多個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)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(duì)一模型一個(gè)用戶級(jí)線程映射到一個(gè)內(nèi)核級(jí)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(duì)一模型多個(gè)用戶級(jí)線程映射到多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，結(jié)合了前兩種模型的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高。多對(duì)多模型多線程模型介紹VS多個(gè)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(jìng)態(tài)條件。常見的同步機(jī)制包括信號(hào)量、互斥鎖、條件變量等。互斥問題多個(gè)線程在訪問共享資源時(shí)，需要保證同一時(shí)間只有一個(gè)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(jī)制實(shí)現(xiàn)。同步問題線程間同步與互斥問題并行計(jì)算概述并行計(jì)算是指同時(shí)使用多種計(jì)算資源解決計(jì)算問題的過程，其主要目的是快速解決大型且復(fù)雜的計(jì)算問題。要點(diǎn)一要點(diǎn)二多線程在并行計(jì)算中的應(yīng)用多線程可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)并行化，將一個(gè)大任務(wù)分解成多個(gè)小任務(wù)并分配給多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，從而提高計(jì)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(jì)算速度。例子：使用多線程實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算06進(jìn)程調(diào)度算法調(diào)度層次高級(jí)調(diào)度（作業(yè)調(diào)度）、中級(jí)調(diào)度（內(nèi)存調(diào)度）、低級(jí)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(shí)間、等待時(shí)間、響應(yīng)時(shí)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(yùn)行時(shí)間短的進(jìn)程，可以縮短平均等待時(shí)間，但需要預(yù)知進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）將CPU時(shí)間劃分為時(shí)間片，輪流分配給各個(gè)進(jìn)程，保證每個(gè)進(jìn)程都能得到響應(yīng)，適用于分時(shí)系統(tǒng)。優(yōu)先級(jí)調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)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(jí)。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(shí)現(xiàn)，但平均等待時(shí)間較長。常見調(diào)度算法原理及特點(diǎn)算法性能評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)吞吐量等待時(shí)間單位時(shí)間內(nèi)完成作業(yè)的數(shù)量。進(jìn)程在就緒隊(duì)列中等待的時(shí)間。CPU利用率周轉(zhuǎn)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間CPU處于忙碌狀態(tài)的時(shí)間占總時(shí)間的比例。從作業(yè)提交到作業(yè)完成的時(shí)間間隔。從用戶發(fā)出請(qǐng)求到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)的時(shí)間。假設(shè)有4個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程需要運(yùn)行的時(shí)間分別為2、4、1、3個(gè)時(shí)間單位，使用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度，時(shí)間片設(shè)為1個(gè)時(shí)間單位。按照進(jìn)程到達(dá)的順序，將進(jìn)程放入就緒隊(duì)列中。每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，選擇隊(duì)首進(jìn)程執(zhí)行，執(zhí)行完畢后將其從隊(duì)列中移除，并計(jì)算該進(jìn)程的等待時(shí)間和