進(jìn)程與進(jìn)程管理課件

進(jìn)程與進(jìn)程管理課件目錄進(jìn)程概念與原理進(jìn)程的結(jié)構(gòu)與組成進(jìn)程管理技術(shù)與機(jī)制進(jìn)程間通信與同步進(jìn)程調(diào)度與死鎖實(shí)例與案例分析進(jìn)程概念與原理01進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(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，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性。定義特性進(jìn)程定義與特性01程序是一組有序指令的集合，是一個(gè)靜態(tài)的概念；而進(jìn)程是程序在處理機(jī)上的一次執(zhí)行過程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念。02程序可以作為軟件資料長期存在，而進(jìn)程是有一定生命期的。03程序是永久的，進(jìn)程是暫時(shí)的。進(jìn)程與程序的區(qū)別運(yùn)行態(tài)該進(jìn)程正在執(zhí)行。就緒態(tài)進(jìn)程已做好準(zhǔn)備，等待CPU調(diào)度執(zhí)行。阻塞態(tài)進(jìn)程在等待某一事件完成。創(chuàng)建態(tài)進(jìn)程正在被創(chuàng)建，尚未轉(zhuǎn)到就緒態(tài)。結(jié)束態(tài)進(jìn)程從系統(tǒng)消失，可能是正常結(jié)束或其他原因中斷退出運(yùn)行。進(jìn)程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程的結(jié)構(gòu)與組成0201唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)程標(biāo)識(shí)符（PID）是系統(tǒng)中唯一標(biāo)識(shí)進(jìn)程的數(shù)字，用于區(qū)分不同進(jìn)程。02進(jìn)程組標(biāo)識(shí)進(jìn)程組ID（PGID）用于標(biāo)識(shí)一組相關(guān)的進(jìn)程，它們共享相同的進(jìn)程組ID。03父進(jìn)程標(biāo)識(shí)父進(jìn)程ID（PPID）標(biāo)識(shí)創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的父進(jìn)程的進(jìn)程ID，用于追蹤進(jìn)程間的層次關(guān)系。進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符定義與作用01進(jìn)程控制塊是操作系統(tǒng)用于管理進(jìn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)了進(jìn)程的狀態(tài)、屬性和控制信息。02存儲(chǔ)內(nèi)容PCB中包含了進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符、處理器狀態(tài)、內(nèi)存管理信息、I/O狀態(tài)、調(diào)度參數(shù)等，用于操作系統(tǒng)對進(jìn)程的有效管理。03PCB的創(chuàng)建與銷毀當(dāng)進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，操作系統(tǒng)為其分配一個(gè)PCB，并在進(jìn)程結(jié)束時(shí)銷毀該P(yáng)CB。進(jìn)程控制塊（PCB）進(jìn)程上下文是指進(jìn)程在執(zhí)行過程中所需的環(huán)境和狀態(tài)信息，包括處理器寄存器值、內(nèi)存空間、打開的文件等。定義當(dāng)操作系統(tǒng)從一個(gè)進(jìn)程切換到另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，需要保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文并恢復(fù)要執(zhí)行進(jìn)程的上下文，確保進(jìn)程能夠正確繼續(xù)執(zhí)行。上下文切換上下文的保存包括將處理器的寄存器值、程序計(jì)數(shù)器等內(nèi)容保存到相應(yīng)進(jìn)程的PCB中；上下文的恢復(fù)則是從PCB中讀取保存的信息，恢復(fù)處理器的狀態(tài)。保存與恢復(fù)進(jìn)程上下文進(jìn)程管理技術(shù)與機(jī)制03創(chuàng)建方式進(jìn)程可以通過系統(tǒng)調(diào)用、批處理命令、用戶交互等方式創(chuàng)建，其中系統(tǒng)調(diào)用是最常用的方式。創(chuàng)建過程創(chuàng)建進(jìn)程需要為其分配系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、文件、設(shè)備等，并初始化進(jìn)程控制塊（PCB），建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。終止方式進(jìn)程可以通過正常結(jié)束、異常結(jié)束、被其他進(jìn)程殺死等方式終止，其中正常結(jié)束是最常用的方式。終止處理當(dāng)進(jìn)程終止時(shí)，需要釋放其所占用的系統(tǒng)資源，并更新相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)的一致性和完整性。進(jìn)程的創(chuàng)建與終止阻塞原因進(jìn)程可能因?yàn)榈却到y(tǒng)資源、等待I/O操作等原因而被阻塞，此時(shí)進(jìn)程將進(jìn)入阻塞狀態(tài)，暫停執(zhí)行。阻塞處理當(dāng)進(jìn)程被阻塞時(shí)，需要將其從運(yùn)行隊(duì)列中移除，并將其加入到相應(yīng)的等待隊(duì)列中，同時(shí)更新相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。喚醒方式被阻塞的進(jìn)程可以通過等待的資源就緒、被其他進(jìn)程喚醒等方式恢復(fù)執(zhí)行。喚醒處理當(dāng)進(jìn)程被喚醒時(shí)，需要將其從等待隊(duì)列中移除，并將其加入到運(yùn)行隊(duì)列中，同時(shí)更新相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以確保進(jìn)程能夠繼續(xù)執(zhí)行。進(jìn)程的阻塞與喚醒進(jìn)程的掛起與恢復(fù)掛起原因：進(jìn)程可能因?yàn)橄到y(tǒng)資源不足、用戶請求等原因而被掛起，此時(shí)進(jìn)程的執(zhí)行將被暫停，但其狀態(tài)將被保存下來。掛起處理：當(dāng)進(jìn)程被掛起時(shí)，需要將其狀態(tài)保存到外存中，同時(shí)釋放其所占用的內(nèi)存資源，以確保系統(tǒng)能夠繼續(xù)運(yùn)行其他進(jìn)程。恢復(fù)方式：被掛起的進(jìn)程可以通過系統(tǒng)資源充足、用戶請求等方式恢復(fù)執(zhí)行?；謴?fù)處理：當(dāng)進(jìn)程被恢復(fù)時(shí)，需要將其狀態(tài)從外存中讀取到內(nèi)存中，并重新分配相應(yīng)的系統(tǒng)資源，以確保進(jìn)程能夠繼續(xù)執(zhí)行。同時(shí)，還需要更新相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。在恢復(fù)進(jìn)程時(shí)，還需要注意處理可能出現(xiàn)的并發(fā)問題，確保進(jìn)程的恢復(fù)操作是原子性的，避免在恢復(fù)過程中出現(xiàn)競態(tài)條件。進(jìn)程間通信與同步04常見IPC機(jī)制包括管道、信號(hào)、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存和套接字等。定義與重要性進(jìn)程間通信（IPC）是一種允許在多個(gè)進(jìn)程之間傳遞信息和數(shù)據(jù)的技術(shù)。對于并發(fā)程序而言，進(jìn)程間通信是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間協(xié)作和同步的關(guān)鍵手段。管道管道是最基本的進(jìn)程間通信方式，包括匿名管道和命名管道，用于具有親緣關(guān)系進(jìn)程之間的通信。進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制共享內(nèi)存是一種高效的進(jìn)程間通信方式，多個(gè)進(jìn)程可以映射到同一塊物理內(nèi)存地址，通過讀寫這塊內(nèi)存進(jìn)行通信。定義與機(jī)制共享內(nèi)存通信的速度非?？?，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存而不需要數(shù)據(jù)的復(fù)制和傳輸。優(yōu)點(diǎn)需要處理好同步問題，避免出現(xiàn)競態(tài)條件。缺點(diǎn)共享內(nèi)存通信消息隊(duì)列消息隊(duì)列是一種基于消息傳遞的進(jìn)程間通信方式，進(jìn)程可以將消息發(fā)送到隊(duì)列中，也可以從隊(duì)列中接收消息。優(yōu)點(diǎn)消息傳遞通信方式相對靈活，進(jìn)程之間可以解耦，發(fā)送消息和接收消息的時(shí)間可以不同步。定義與機(jī)制消息傳遞是一種進(jìn)程間通信方式，進(jìn)程通過發(fā)送和接收消息來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。消息傳遞通信信號(hào)量是一種用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步的機(jī)制，它是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于控制對共享資源的訪問。定義與用途工作原理應(yīng)用場景通過PV操作（P操作減少信號(hào)量，V操作增加信號(hào)量）來控制多個(gè)進(jìn)程對共享資源的訪問順序和數(shù)量。常用于實(shí)現(xiàn)互斥訪問和同步訪問，避免并發(fā)進(jìn)程之間的競態(tài)條件和死鎖問題。030201信號(hào)量同步機(jī)制進(jìn)程調(diào)度與死鎖05目的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最大化利用，保證系統(tǒng)公平性和響應(yīng)時(shí)間等目標(biāo)。定義調(diào)度是指一種資源分配的手段，它決定了在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)哪個(gè)進(jìn)程可以獲得CPU或其他資源的使用權(quán)。調(diào)度基本概念當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的時(shí)間片用完、發(fā)生I/O請求、創(chuàng)建新進(jìn)程等情況時(shí)，會(huì)觸發(fā)調(diào)度。調(diào)度的時(shí)機(jī)保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文信息，恢復(fù)另一個(gè)進(jìn)程的上下文信息。切換接收調(diào)度信號(hào)后，保存現(xiàn)場，根據(jù)調(diào)度算法選擇進(jìn)程，準(zhǔn)備環(huán)境并恢復(fù)現(xiàn)場。過程調(diào)度的時(shí)機(jī)、切換與過程非剝奪式調(diào)度和剝奪式調(diào)度。非剝奪式調(diào)度是指進(jìn)程主動(dòng)釋放CPU時(shí)，才進(jìn)行調(diào)度；剝奪式調(diào)度是指當(dāng)就緒隊(duì)列中存在優(yōu)先級更高的進(jìn)程時(shí)，會(huì)強(qiáng)制剝奪當(dāng)前進(jìn)程的CPU使用權(quán)。調(diào)度方式先進(jìn)先出（FIFO）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、優(yōu)先級調(diào)度、輪轉(zhuǎn)法（RR）等。其中，F(xiàn)IFO算法按照進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列的先后順序進(jìn)行調(diào)度；SJF算法按照進(jìn)程的估計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)度；優(yōu)先級調(diào)度根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)度；RR算法則將CPU時(shí)間劃分成時(shí)間片，按時(shí)間片輪流分配給各個(gè)進(jìn)程。調(diào)度算法進(jìn)程調(diào)度的方式與算法定義死鎖是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過程中，由于競爭資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。產(chǎn)生條件互斥條件（一個(gè)資源每次只能被一個(gè)進(jìn)程使用）、請求與保持條件（一個(gè)進(jìn)程因請求資源而阻塞時(shí)，對已獲得的資源保持不放）、不剝奪條件（進(jìn)程已獲得的資源，在未使用完之前，不能強(qiáng)行剝奪）、環(huán)路等待條件（若干進(jìn)程形成一種頭尾相接的環(huán)路，每個(gè)進(jìn)程都在等待下一個(gè)進(jìn)程所占有的資源）。死鎖的定義與產(chǎn)生條件避免01通過銀行家算法等方式避免死鎖的發(fā)生。銀行家算法在分配資源之前先判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)，如果安全則分配，否則就等待，以此來避免進(jìn)入死鎖狀態(tài)。預(yù)防02通過破壞死鎖產(chǎn)生的四個(gè)必要條件之一來預(yù)防死鎖的發(fā)生。例如，采用一次性申請所有資源的策略來破壞請求和保持條件。檢測03定時(shí)檢測系統(tǒng)中是否存在死鎖，若存在則解除。例如，通過遍歷進(jìn)程和資源分配圖的方式來檢測死鎖。死鎖的避免、預(yù)防與檢測實(shí)例與案例分析06實(shí)例1：Windows任務(wù)管理器Windows任務(wù)管理器是一個(gè)進(jìn)程管理的實(shí)例，它允許用戶查看當(dāng)前正在運(yùn)行的進(jìn)程，并結(jié)束或暫停不需要的進(jìn)程。通過任務(wù)管理器，用戶可以監(jiān)控CPU和內(nèi)存的使用情況，以及進(jìn)程的啟動(dòng)時(shí)間和占用資源。實(shí)例2：Linux中的ps和top命令Linux提供了ps和top命令來查看和管理進(jìn)程。ps命令用于顯示當(dāng)前進(jìn)程的快照，而top命令則實(shí)時(shí)顯示進(jìn)程的活動(dòng)和資源消耗。進(jìn)程管理在操作系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例01案例1：生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題02生產(chǎn)者和消費(fèi)者是兩個(gè)并發(fā)進(jìn)程，它們共享一個(gè)緩沖區(qū)。生產(chǎn)者向緩沖區(qū)中添加數(shù)據(jù)，消費(fèi)者從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。進(jìn)程間通信與同步的案例分析02通過使用信號(hào)量或其他同步機(jī)制，可以確保生產(chǎn)者和消費(fèi)者在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行通信和同步，避免數(shù)據(jù)溢出或饑餓現(xiàn)象。進(jìn)程間通信與同步的案例分析案例2：讀者-寫者問題讀者只讀取數(shù)據(jù)，而寫者可以讀取和修改數(shù)據(jù)。通過使用互斥量和條件變量等機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)讀者和寫者之間的同步和通信，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。讀者和寫者是兩組并發(fā)進(jìn)程，它們共享同一份數(shù)據(jù)。進(jìn)程間通信與同步的案例分析案例1：銀行家算法銀行家算法是一種避免死鎖的經(jīng)典算法。通過為進(jìn)程分配資源時(shí)檢查系統(tǒng)狀態(tài)是否安全，銀行家算法能夠預(yù)防死鎖的發(fā)生。進(jìn)程調(diào)度與死鎖解決策略的案例研究案例