《进程基本概念》课件

进程基本概念进程是操作系统中的基本概念，也是计算机科学的重要基础之一理解进程的概念有助于理解操作系统的工作机制，以及程序的执行方式进程的定义进程的定义进程的本质进程是程序的一次执行过程进程是资源分配和调度的基本单位程序本身只是一组指令序列，而进程则是这些指令的执行过程操作系统通过进程管理进程，并为每个进程分配资源，如内存空间、时间片等CPU进程的特性独立运行并发性动态性每个进程都拥有独立的地址空间、数据和资多个进程可以同时运行，利用多核处理器或进程可以被创建、撤销、挂起和激活，动态源，相互之间不会干扰时间片轮转机制，提高系统效率调整系统资源分配进程的状态运行状态就绪状态阻塞状态终止状态进程正在CPU上运行，执行指进程已准备好运行，但CPU被进程正在等待某个事件发生，进程执行完成或遇到错误而结令，占用系统资源其他进程占用，等待分配CPU例如I/O操作完成，资源获取成束，释放资源功进程的生命周期创建1进程创建过程就绪2等待CPU资源运行3正在执行代码阻塞4等待资源或事件终止5进程结束生命周期进程的生命周期是一个连续过程，从创建到终止，并在此期间经历多个状态转换进程控制块进程信息进程状态进程控制块（）是操作系统中保存着进程的当前状态，PCB PCB用来管理进程的重要数据结构例如运行、就绪、阻塞它包含了进程的标识、状态、资操作系统根据进程的状态来管理源、优先级和其他信息进程的调度和执行资源分配进程通信记录了进程所使用的资源，中也包含了进程通信的信息PCB PCB例如内存、文件、I/O设备等，例如消息队列、共享内存等操作系统根据中的信息来分PCB配资源给进程操作系统通过PCB来管理进程之间的通信进程表存储进程信息进程管理的关键

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22.包含进程ID、进程状态、优先操作系统使用进程表来管理所级、内存地址等信息有正在运行的进程查找和调度

33.操作系统使用进程表快速查找和调度进程进程调度调度目标进程调度器负责选择一个就绪进程，并将它分配到上执行CPU调度目标包括系统吞吐量、利用率、响应时间、周转时间等CPU调度算法常用的调度算法包括先来先服务、最短作业优先、优先级调度、轮转调度、多级反馈队列调度等不同算法适用于不同的场景，需要根据系统需求选择合适的算法调度策略调度策略包括抢占式调度和非抢占式调度抢占式调度是指，当一个高优先级进程就绪时，可以立即抢占正在运行的低优先级进程的CPU进程切换保存上下文1保存当前进程的寄存器和内存状态CPU加载上下文2加载下一个要执行的进程的寄存器和内存状态CPU切换程序计数器3将的程序计数器指向下一个进程的起始地址CPU进程切换是指操作系统从一个正在运行的进程切换到另一个进程的过程这是一种重要的机制，它允许操作系统在多个进程之间共享CPU资源系统调用系统调用定义系统调用目的

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22.系统调用是用户程序与操作系实现用户程序对系统资源的访统内核之间的接口，允许用户问，并保护操作系统内核的安程序请求内核提供的服务全系统调用实现系统调用类型

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44.通过中断机制或陷阱机制，用包括文件操作、进程管理、内户程序向内核发送系统调用请存管理、设备管理等求系统调用类型进程管理文件管理设备管理通信管理创建、终止、暂停、恢复进程创建、删除、打开、关闭文件分配、释放设备进程间通信系统调用实现用户程序请求1用户程序发起系统调用请求，例如打开文件、创建进程等陷阱机制2通过陷阱指令将控制权转移到内核，进入内核态内核处理3内核根据请求类型，执行相应的系统调用处理函数返回结果4内核处理完成后，将结果返回给用户程序，并恢复用户态进程同步资源共享相互合作多个进程需要共享同一个资源，例如打印多个进程需要相互协作才能完成任务，例机、文件等如生产者-消费者模型避免数据不一致或错误，需要协调进程对需要确保进程之间按照一定的顺序进行操共享资源的访问作，防止死锁或资源竞争进程同步问题竞争条件死锁多个进程同时访问共享资源，结多个进程互相等待对方释放资源果取决于进程的执行顺序，可能，导致所有进程都无法继续执行会导致不一致或错误数据一致性多个进程对共享数据进行操作，可能会导致数据不一致，例如重复写入或丢失数据临界区共享资源互斥访问同步机制临界区是指一段代码，这段代码访问共享资为了避免数据竞争，必须确保任何时候只有操作系统使用各种同步机制来实现互斥访问源多个进程可能会同时访问这段代码，导一个进程可以访问临界区，其他进程必须等，例如信号量、管程等致数据不一致待互斥互斥访问保护临界区

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22.多个进程共享资源时，任何时刻只有一个进程可以访问该资临界区是代码段，包含对共享资源的访问操作源互斥机制互斥实现

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44.确保临界区每次只允许一个进程访问的机制可使用信号量、管程等机制实现互斥访问信号量信号量机制信号量操作信号量应用信号量是一种同步机制，用于控制对共享资信号量有两个主要操作wait和signal信号量可以用于实现各种同步任务，例如互源的访问信号量是一个整数，表示可用的wait操作会递减信号量，如果信号量为斥、生产者-消费者问题和读者-写者问题资源数量当进程需要使用资源时，它会递负，则进程会被阻塞signal操作会递增减信号量；当进程释放资源时，它会递增信信号量，如果存在被阻塞的进程，则唤醒一号量个进程管程数据结构包含共享数据和操作这些数据的过程同步机制确保一次只有一个进程可以访问共享数据进程间通信提供进程间通信的机制死锁死锁概述死锁是指两个或多个进程因互相等待对方占有的资源而无法继续执行的状态死锁会导致系统性能下降、资源浪费甚至崩溃死锁的必要条件互斥条件占有并请求条件资源只能被一个进程独占使用进程已经占有了至少一个资源，如果没有满足互斥条件，则系统但又请求了另一个被其他进程占中就不会发生死锁有的资源不可剥夺条件循环等待条件进程已经占有的资源在没有完成存在一个封闭的进程循环，每个任务之前不能被其他进程抢占进程都在等待循环中下一个进程如果该条件不满足，则可以将被所持有的资源抢占资源分配给其他进程，从而避免死锁死锁的预防互斥条件占有并等待条件

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22.确保每个资源在同一时间只被进程必须释放已占有的资源才一个进程使用能请求其他资源非抢占条件循环等待条件

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44.进程不能强行夺取其他进程正打破进程之间对资源的循环等在占有的资源待关系死锁的避免银行家算法资源分配图安全状态银行家算法是一种资源分配算法，旨在通过资源分配图是一种图形化工具，用于描述系安全状态是指系统处于一种状态，在该状态对进程的资源需求进行预先分析，避免系统统中进程和资源之间的关系，帮助识别潜在下，可以按照某种顺序分配所有可用的资源进入死锁状态的死锁，从而避免死锁死锁的检测与解决死锁检测检测死锁需要定期检查系统中每个进程的资源占用情况，分析是否存在循环等待关系死锁恢复死锁发生后，需要采取措施来解除死锁，常用的方法包括撤销进程、抢占资源、回滚操作选择策略选择最优的死锁恢复策略需要考虑因素包括进程重要性、资源占用情况、回滚代价等进程通信消息队列进程之间通过发送和接收消息来进行通信，消息存储在队列中，提供异步通信机制套接字通信利用网络协议，例如，在网络连接的进程之间实现数据传输TCP/IP共享内存进程之间共享一段内存空间，可以直接读写数据，提高通信效率管道通信管道概念管道类型管道是一种简单的进程间通信机管道分为无名管道和命名管道，制，允许进程通过一个共享的管无名管道只能用于具有亲缘关系道进行数据交换的进程间通信，命名管道则可以用于任何进程间通信管道机制管道通信通常通过系统调用实现，进程可以通过读写管道进行数据交换，类似于文件读写操作消息队列消息队列的定义消息队列的优势消息队列是进程间通信的一种方式它允消息队列可以实现异步通信，发送者不需许进程之间通过传递消息进行通信，而不要等待接收者处理消息，就可以继续执行必直接进行交互每个消息队列都有一个唯一的标识符，用消息队列可以实现解耦，发送者和接收者于区分不同的消息队列不必直接耦合，它们之间通过消息队列进行通信共享内存高效数据交换数据共享

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22.进程间直接访问内存，速度快多个进程共享同一块内存，方，效率高，适合数据量大、访便进程之间进行数据交换，无问频繁的情况需复制数据复杂同步机制竞争访问问题

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44.共享内存需要使用信号量、互多个进程访问同一块内存时，斥锁等机制确保数据的一致性可能会出现数据竞争问题，需，实现同步访问要进行同步控制信号量信号量是一种同步机制信号量是一种整数值信号量操作它用于协调多个进程对共享资源的访问它表示可用的资源数量•P操作减少信号量值，如果值小于0，则进程阻塞操作增加信号量值，如果值小于•V或等于，则唤醒一个阻塞进程0套接字通信网络连接数据传输端口号网络安全套接字通信利用网络接口进行套接字定义了数据传输的协议套接字通信使用端口号来区分套接字通信需要考虑网络安全进程间的通信，通过发送和接和格式，确保数据在网络上的不同的应用程序和服务，实现问题，采用加密技术和身份验收数据包进行信息交换可靠传输网络资源的有效分配证机制来保障数据传输的安全总结与思考深入理解进程概念，掌握进程管理核心要素，提升系统设计与优化能力。