《进程及进程管理》课件

进程及进程管理本课件将深入探讨操作系统中进程的概念及其管理机制,帮助理解计算机系统的运行原理从进程的创建、状态转换、调度算法等方面全面阐述进程管理的核心内容课程简介系统化的进程管理知识进程调度和同步机制本课程全面介绍了操作系统中进深入讲解了进程调度算法、进程程的概念、特征及其生命周期管同步问题及常见的解决方案理进程间通信方式资源管理与调度探讨了多种进程间通信机制,如分析了进程资源分配与回收,以消息队列、管道、共享内存等及作业调度和内存管理等内容什么是进程进程的定义进程的属性进程的动态性进程是正在执行的程序实例,是系统资源分进程拥有独立的地址空间、程序计数器、寄进程在生命周期内会不断地改变状态,从创配的基本单位,同时也是CPU调度的基本单存器集合和打开的文件等这些属性描述了建、就绪、运行、阻塞到终止等,这就是进位进程的状态程的动态性进程的特征动态性资源拥有进程是动态实体,它们会在运行过程中进程在执行时会动态地获取和释放各不断变化状态种系统资源独立性通信机制每个进程都是独立的执行单元,可以并进程之间可以通过某种通信机制进行发执行信息交换进程的生命周期创建1操作系统为进程分配所需资源,如内存空间、打开文件等,进程开始执行就绪2进程已准备好执行,等待被调度并分配CPU时间片运行3进程被分配CPU时间片,在处理器上执行指令等待4进程因I/O请求或需要等待某事件发生而暂时停止运行终止5进程完成了它的任务,或被操作系统或用户强行终止进程的状态就绪状态运行状态进程已经准备好执行,只等待分配进程正在CPU上占用资源并执行CPU资源即可运行阻塞状态终止状态进程因为等待某事件（如I/O操作）进程已经完成执行并退出，释放而暂时无法执行所占用的全部资源进程控制块定义作用内容管理进程控制块PCB是操作系统PCB作为进程管理的核心,为PCB通常包括进程标识、程操作系统通过创建、更新和删用来描述和管理进程的一种数操作系统提供了进程调度、资序计数器、处理机状态、内存除PCB来对进程进行全面管据结构它包含了与进程相关源分配和进程同步等功能,确管理信息、资源清单、优先级理,确保进程有序地运行的各种信息,如进程标识、处保了进程能够顺利地运行信息、进程状态等多方面内容理机状态和资源分配等进程调度CPU利用率进程调度旨在尽可能充分利用CPU资源,平衡各个进程的CPU使用响应时间调度算法应尽量缩短进程的响应时间,提高系统的交互性公平性调度算法应公平对待所有进程,避免某些进程被长期忽视优先级可以根据进程的重要性设置不同的优先级,确保关键任务能够优先执行进程调度算法1先来先服务FCFS2最短作业优先SJF按照进程到达的顺序依次执行，简单易实现但公平性较差优先执行运行时间最短的进程，可提高系统吞吐量但需预先知道运行时间3时间片轮转RR4优先级调度Priority为每个进程分配固定的时间片轮流执行,兼顾了公平性和响应根据进程的优先级确定执行顺序,可灵活设置优先级以满足不时间同需求批处理系统中的进程调度作业提交1用户将任务以批处理作业的形式提交到系统中作业调度2系统根据一定的调度算法和策略对作业进行排队调度资源分配3根据选择的调度算法分配所需的系统资源作业执行4按照调度顺序依次执行作业直至全部完成批处理系统中的进程调度是一种离线的、非交互式的进程调度机制它主要通过作业提交、作业调度、资源分配和作业执行等步骤来完成对批处理作业的管理和控制这种调度策略通常侧重于最大化系统吞吐量和资源利用率交互式系统中的进程调度交互响应性1快速响应用户输入公平性2确保每个用户都得到合理的CPU时间优先级3区分重要进程和普通进程交互式系统的进程调度需要平衡响应速度、用户公平性和进程优先级快速响应用户输入是关键,同时还要确保每个用户都能得到合理的CPU时间通过设置不同的优先级,可以确保关键进程得到优先处理实时系统中的进程调度实时性要求1满足严格的时间约束优先级调度2根据任务的重要性和紧迫性进行调度可预测性3确保关键任务能按时完成低延迟4最小化任务响应时间实时系统对进程调度有特殊要求它必须满足严格的时间约束,确保关键任务能按时完成调度算法必须考虑任务的优先级和紧迫性,并尽量减少延迟,以保证可预测的系统行为进程同步问题同步互斥流程控制信息交换进程在访问共享资源时需要进行同步协调,进程之间的执行顺序必须按照一定的规则进进程之间需要通过有效的通信机制交换信息,避免出现资源竞争和数据不一致问题行协调调度,确保操作的正确性和效率以实现协同工作和及时响应临界区问题什么是临界区临界区问题的挑战临界区指的是一个独占性资源,同一时间只允许一个进程访问的代多个进程同时访问临界区会导致数据竞争,从而造成不一致的结果码段这种资源的访问必须是互斥的,以确保数据的一致性如何确保临界区的访问是互斥的,是临界区问题需要解决的核心挑战互斥的实现互斥原语信号量机制通过系统调用实现的简单的互斥机制,如测试-设置指令使用信号量对共享资源进行访问控制,确保互斥锁机制管程机制使用互斥锁互斥量来保护临界区,确保一次只有一个进程访问利用管程中的条件变量和互斥锁实现进程间的同步和互斥信号量机制引入信号量信号量的操作信号量的应用信号量是一种进程同步机制,通过记录可用通过P操作（申请）和V操作（释放）来实信号量广泛应用于生产者-消费者问题、读资源的数量来控制对共享资源的访问现对共享资源的访问控制者-写者问题等多种进程同步场景管程机制并行控制同步机制死锁预防管程通过使用监视器和条件变量来实现对并管程提供了高级的同步机制,允许进程间有管程通过内置的资源管理和调度逻辑,可以行执行流程的监控和控制,确保进程安全地条件地等待和唤醒,避免了繁琐的手工编码有效地避免死锁的发生,提高了并发系统的访问临界资源可靠性死锁概念定义产生原因死锁是指两个或多个进程因争夺资源而陷入僵局的情况各进程死锁的产生需要满足四个必要条件:互斥、占有和等待、不可抢占都在等待其他进程释放资源，但没有任何进程能够继续执行和循环等待只要其中一个条件不成立,就不会出现死锁死锁的必要条件互斥性占有且等待不可剥夺循环等待系统资源必须唯一被一个进程进程已经占用一些资源,同时又已分配给一个进程的资源不能存在一个进程集合使用,不允许共享申请新的资源,但新资源无法立被强制性地从该进程手中夺走{P0,P1,...Pn}，P0占用资源即分配R1,P1占用资源R2,...Pn占用资源R0且R0被P0占用死锁的预防与避免合理分配资源动态检测与解决12合理分配资源并控制资源的使用可以有效地预防死锁的发生实时监控进程状态并动态检测潜在的死锁问题,及时解决银行家算法死锁恢复34采用银行家算法可以事先判断是否会发生死锁,从而避免死锁当发生死锁时,可以通过杀死进程或撤销资源分配来恢复系统死锁的检测与解决死锁检测死锁解决通过构建资源分配图或等待图，主要方法包括死锁预防、死锁避分析图中是否存在环路来检测是免和死锁检测与恢复选择合适否发生死锁的方法可以有效解决死锁问题死锁恢复一旦检测到死锁，可以通过抢占资源、撤销进程等方式来打破死锁循环，恢复系统正常运行进程间通信机制共享内存管道通信消息队列进程可以通过直接访问共享的内存区域来交通过管道在进程之间传递数据流,可以实现进程可以向消息队列发送和接收消息,这是换数据,这是最快速有效的通信方式但需简单的单向异步通信管道可以是匿名的也一种更加灵活的异步通信方式,可以实现进要注意互斥访问和同步机制可以是命名的程间的双向通信消息队列什么是消息队列消息队列的特点消息队列是一种进程间通信的机制,它允许进程通过发送和接收消•异步通信:发送方和接收方不需要同时在线息来进行交互和同步消息被存储在队列中,等待接收进程获取处•缓存机制:消息暂时存储在队列中,避免因接收方暂时不可用理而丢失信息•解耦设计:发送方和接收方解耦,有利于系统可扩展性管道机制数据流传输无格式数据管道可以在进程之间建立数据传管道传输的数据是无格式的字节输通道,实现进程间的数据交换流,可以传输任意类型的数据先进先出缓冲机制数据在管道中按照先进先出的顺管道内部提供缓冲区,可以暂时存序流动,保证了数据的时序性储数据,避免数据发送和接收之间的速度差异共享内存内存共享访问控制多个进程可以访问同一块物理内存区需要通过同步机制如互斥锁来控制对域，实现高效的信息传递共享内存的访问，避免竞争条件性能优势编程复杂性相比管道或消息队列等机制，共享内需要设计合理的同步机制来处理并发存可以实现更快的进程间通信访问问题，增加了编程难度套接字网络通信基础套接字类型套接字是网络编程中实现进程间通信的基本机制,是一种抽象主要包括流式套接字TCP和数据报套接字UDP,前者提供层,为应用程序提供了统一的网络访问接口可靠的面向连接的通信,后者提供无连接的不可靠通信使用流程跨平台特性创建套接字、绑定到本地地址和端口、监听来自客户端的连套接字是操作系统提供的标准网络编程接口,可跨平台使用,使接请求、接受连接并处理数据交换得网络应用程序具有良好的移植性远程过程调用概念解释主要特点典型应用场景主要实现方式远程过程调用RPC是一种跨RPC使用网络协议在不同机RPC广泛应用于分布式系统、常见的RPC框架包括gRPC、进程通信技术,允许客户端程器或进程之间传输数据,隐藏微服务架构、云计算等领域,Thrift、Dubbo等,它们提供序以同步或异步的方式调用远了底层网络通信细节,为开发实现了不同系统之间的无缝集了完整的通信协议规范以及客程服务器上的方法通过人员提供了一种简单易用的编成和数据交换户端和服务端的开发工具RPC,客户端可以无缝地访问程接口和使用远程服务器提供的功能进程资源分配与回收资源分配策略内存管理12操作系统需要制定合理的资源分配策略,确保进程能够高效利为进程动态分配和回收内存,避免内存泄漏和资源浪费用系统资源3I/O管理4死锁处理合理分配I/O设备,满足进程的I/O需求,提高系统利用率检测和预防死锁问题,保证进程能够顺利获取所需资源作业调度任务调度优先级管理合理安排各类作业任务的时间和顺序,根据任务的重要性和紧急程度制定不提高资源利用率和系统吞吐量同的优先级策略,确保关键任务优先执行作业调度算法负载均衡选择合适的调度算法,如先来先服务、合理分配作业任务,避免资源瓶颈,提高最短作业优先、时间片轮转等,提高系系统的整体处理能力统性能内存管理内存分配虚拟内存技术内存管理机制系统根据应用程序的需求动态分配和回收内通过将物理内存与磁盘空间结合,实现了应包括页式管理、段式管理等方式,旨在提高存空间,确保高效利用有限的内存资源用程序逻辑地址与物理内存地址的动态映射内存利用效率和减少内存碎片作为结束语的思考在学习了关于进程及进程管理的各个重要方面后，我们应该深入思考它们在实际应用中的意义和价值进程管理技术的发展不仅提升了系统的稳定性和效率，也为用户提供了更优质的计算体验我们应该继续努力,探索新的进程管理解决方案,为未来的计算机系统发展贡献力量。