《练习进程管理》课件

进程管理了解操作系统如何管理和调度进程从而提高应用程序的性能和可靠性本课程,将通过实践演练帮助您掌握进程管理的核心概念和技术,课程简介学习进程管理基础知识掌握进程调度算法理解进程同步机制该课程将全面介绍进程的基本概念、状态、课程将深入探讨先来先服务、短作业优先、课程将讲解进程同步的基本概念、临界区、控制块以及创建、终止和切换等基础知识最高响应比优先等主要进程调度算法的原理信号量以及生产者消费者问题等相关知识-和应用进程的基本概念什么是进程进程的作用进程是操作系统中运行的一个程进程负责管理和控制计算机资源,序实例拥有独立的地址空间、程如、内存和设备确保资,CPU I/O,序计数器和堆栈每个进程都是源被合理分配和利用进程是操一个独立的执行单元作系统的基础进程的特征进程具有动态性、并发性和独立性等特点可以在系统中并发执行相互独立,,但又相互协作进程的状态新建状态就绪状态进程刚刚被创建尚未被操作系统承认进程已经具备执行所需的全部资源等,,,需要经过初始化才能转为就绪状态待分配时间片执行CPU运行状态等待状态进程正在上执行占用时间片进程因某种原因如等待完成而CPU,CPUI/O进行计算和操作暂时停止执行等待相应事件的发生,进程控制块定义主要内容12进程控制块是操作系统用来记进程控制块主要包含进程标识录进程相关信息的数据结构包符、进程状态、程序计数器、,含进程状态、程序计数器、寄内存指针、资源清单和其他与存器、内存分配等进程有关的信息作用创建与删除34进程控制块是操作系统管理和当进程被创建时操作系统会为,控制进程的关键它用于记录进其分配一个进程控制块当进程,,程的动态特征为进程调度和资终止时相应的进程控制块也会,,源分配提供依据被释放进程创建系统调用fork1子进程会继承父进程的地址空间、打开的文件描述符等资源，从而实现进程的创建系统调用exec2可用于加载并运行新程序，取代当前进程的执行映像exec常用于进程的加载与执行初始化PCB3操作系统会为新创建的进程分配一个进程控制块，并初PCB始化其中的各项属性进程终止主动终止1进程主动调用系统调用终止自己被动终止2进程遇到错误或异常而被系统终止结束运行3进程执行完毕后自动退出进程终止是指进程的生命周期结束一个进程可以主动通过调用系统调用来终止自己也可以因为遇到错误或异常而被动地被系统终止还,有一种情况是进程执行完毕后自动退出无论是哪种原因导致的进程终止系统都需要及时回收进程所占用的资源并从进程表中删除该进,,程的信息进程切换挂起当前进程操作系统会暂时中断正在运行的进程，将其状态保存起来选择下一个进程根据调度算法，操作系统决定选择哪个进程作为下一个运行的进程恢复新进程操作系统从新进程的进程控制块中恢复其状态，并将其切换至运行状态进程调度算法先来先服务短作业优先最高响应比优先时间片轮转FCFS SJFHR RR按照进程到达的顺序来执行优先执行预计运行时间最短的平衡了等待时间和运行时间给每个进程分配固定的时间片,,简单但可能出现饥饿现象进程可以减少平均等待时间选择响应比最高的进程优先执轮流执行公平性好但会增加,,,但难以预测行开销先来先服务公平性简单性先来先服务算法体现了公平性的先来先服务调度算法是最基础最原则，每个进程都会轮流执行，简单的进程调度方法，实现和维不会产生偏袒或歧视护都很容易缺陷由于不考虑进程的优先级和执行时间，可能会导致长作业得不到及时执行的问题短作业优先速度优先平均响应时间吞吐量短作业优先算法着重处理执行时间短的作业，该算法可以最小化作业平均响应时间，提高短作业优先算法能提高系统吞吐量，单位时尽可能快地完成更多作业系统效率间内完成更多作业最高响应比优先动态优先级调度缩短平均等待时间12最高响应比优先算法根据进程该算法可以有效缩短长作业进的等待时间和服务时间动态计程的等待时间，提高系统的整算每个进程的响应比，优先调体响应性能度响应比最高的进程灵活适用性预防饥饿34最高响应比优先算法可以适用该算法能够有效预防长作业进于各种类型的进程，无论是长程的饥饿问题，确保所有进程作业还是短作业都能得到合理的调度时间片轮转公平调度快速响应简单高效存在问题时间片轮转调度算法通过给每时间片较短能确保及时响应算法实现简单无需复杂的优如果有密集型进程可能会,,I/O,个进程分配固定时间片来实现用户请求提高交互体验即先级计算只需维护一个就绪浪费时间也可能出现低,CPU公平性每个进程都有机会得使有大量进程也能快速切换队列按时间片循环调度可优先级进程永远得不到执行的,,到执行时间以高效运行问题多级反馈队列多级反馈队列队列分层时间片轮转多级反馈队列是一种常用的进程调度算法较高优先级的进程会被优先调度而低优先每个优先级队列都采用时间片轮转的方式进,,通过将进程划分为不同优先级的队列以提级进程则需要等待较长时间这种分层调度行调度确保公平性的同时提高了系统的响,,高整体系统的吞吐量和响应速度有利于提高系统的整体性能应速度同步概念并发执行进程间的协调同步原语同步是指多个进程或线程并发执行时协调同步机制可以确保各个进程按预期顺序运行常见的同步原语包括互斥锁、信号量、条件,,它们的执行顺序以避免出现竞争条件和资源避免出现错误和冲突这对于复杂的并发系变量等它们提供了多种手段来协调并发进,争用的问题统是至关重要的程的行为进程互斥问题描述互斥方法关键特性应用场景在操作系统中多个进程可能•禁用中断•互斥同一时间只有一进程互斥广泛应用于操作系统,:会同时访问共享资源为了防个进程可以访问共享中的临界区、数据库管理、多•使用测试设置指令-止数据不一致或资源争用需资源线程编程等场景确保数据完,•公平性所有进程都有,•使用信号量:要确保一次只有一个进程可以整性和系统稳定性平等的机会获得资源•使用互斥锁访问共享资源这就是进程互,•饥饿避免任何进程最:斥的基本要求终都能获得资源临界区定义临界区是一种访问共享资源必须互斥进行的代码区域互斥性任何时候只允许一个进程进入临界区，保证共享资源的完整性时间限制进程在临界区中的执行时间应该尽可能短减少其他进程的等待时间,信号量资源访问控制进程同步信号量用于控制对共享资源的访信号量可以实现进程的同步和互问确保访问的原子性斥避免死锁和资源争用,,两种类型和操作P V包括二元信号量和计数信号量前操作用于申请资源操作用于释,P,V者只能取或后者可取任意非负放资源实现了进程间的互斥与同01,,整数步生产者消费者问题-两个实体有限缓冲区生产者和消费者是操作系统中的生产者和消费者通过一个有限的两个实体一个生产数据一个消缓冲区进行数据交换需要保证,,,费数据数据的安全和进程的同步互斥与同步经典解决方案通过使用信号量等同步机制可生产者消费者问题有多种经典,-以解决生产者和消费者之间的互解决方案如信号量法和管程法,斥问题等死锁概念资源争夺循环依赖多个进程同时申请使用某些资源当一个进程持有某些资源同时又,,但又都没有足够的资源时就会产申请其他进程所持有的资源时就,,生僵局会形成循环依赖进程阻塞系统瘫痪由于资源不足或循环依赖某些进死锁一旦发生将导致整个操作系,,程被无限期地阻塞无法继续执行统陷入瘫痪状态无法继续执行任,,何有效的任务死锁的必要条件互斥条件请求与保持条件12系统中至少存在一个资源必须以独占方式使用，即在一段时当一个进程在请求资源时，若无法获得，则该进程会保持已间内某资源只能被一个进程使用获得的资源不可抢占条件循环等待条件34进程已获得的资源在未使用完之前，不能被其他进程强行获存在一个进程集合，占用所需资源，{P0,P1,...,Pn}P0P1取，只能由获得该资源的进程自愿释放占用所需资源，占用所需资源P1P

2...,Pn P0死锁的预防资源合理分配合理进程执行顺序设置预防机制合理分配系统资源避免死锁发生的可能性设计进程执行顺序将可能发生死锁的进程采用一定的预防死锁的策略和机制如银行,,,控制在可预防的范围内家算法等死锁的避免资源分配策略死锁检测和解除银行家算法通过合理分配资源避免形成循环等待条件及时检测死锁并采取解除措施可以避免死这种动态分配资源的算法可以判断是否会导,,,是预防死锁的关键措施锁造成的资源浪费和系统瘫痪致死锁从而避免死锁发生,死锁的检测与解除死锁检测死锁解除通过构建进程资源分配图来检测系统是否存在死锁如果存在环可通过抢占资源或撤销进程来解除死锁抢占时要选择合适的牺路说明系统存在死锁牲进程最小化损失,,内存管理概述内存管理功能主要任务12内存管理负责为进程提供所需的虚拟内存空间并将其有效分配和回收内存空间、保护内存安全、优化内存使用效率,映射到物理内存内存管理策略虚拟存储器34包括连续分配、分页和分段等不同的内存管理方式通过虚拟内存技术可以有效扩展可用内存空间,连续分配方式整块分配可变分区分配固定分区分配将进程所需的全部内存空间一次性分配根据进程需求动态分配不等大小的内存将内存划分为固定大小的分区按需分,给进程简单高效但内存利用率较低分区灵活性强但需要复杂的内存管配实现简单但分区利用率可能不高,,,理分页存储管理页面划分页表管理页面置换算法将主存划分为大小相等的页面，根据程序运使用页表记录每个进程占用的页面信息，实根据特定策略选择合适的页面进行换入换出，行需求动态加载页面到主存现虚拟地址到物理地址的转换提高内存利用效率分段存储管理概念优点实现应用分段存储管理将程序划分为多分段存储管理灵活性高，可以通过段表来管理各个段的起始分段存储管理常用于支持虚拟个长度可变的段，每个段表示根据程序的特点分配适当大小地址和长度信息在访问存储器和大型程序的内存管理CPU一个逻辑单元段在内存中可的内存段同时可以提高内存内存时需要先查段表确定目标它能灵活适应程序的动态需求以不连续存放，从而提高内存的利用率地址利用率虚拟存储器物理内存限制物理内存容量的限制导致无法同时装载所有需要的程序和数据,辅助存储器使用硬盘等辅助存储器提供虚拟内存实现程序和数据的交换,页面置换根据置换算法将不常用的页面换出到硬盘为新的页面腾出空间,,页面置换算法最佳置换先进先出FIFO选择最长时间不会被访问的页面进行置换可最大程度降低页面缺失简单实现按照页面调入的先后顺序进行置换但可能会剔除短期内,,率但实现复杂难以获取未来访问情况会再次访问的页面,最少近期使用时钟置换算法LRU置换最长时间未被访问的页面可有效降低页面缺失率被广泛应用基于使用访问位记录页面最近访问情况可提高性能实现相,FIFO,,于虚拟存储管理中对简单被广泛应用,。