《進程和處理機管理》課件

進程和處理機管理本課件將深入探討操作系統(tǒng)的核心概念，包括進程和處理機管理。學習進程和處理機管理的關(guān)鍵知識點，了解操作系統(tǒng)如何管理和調(diào)度這些資源，以及如何優(yōu)化系統(tǒng)性能。課程大綱進程和處理機管理操作系統(tǒng)核心概念之一，深入理解進程、處理機、內(nèi)存管理等核心內(nèi)容，掌握其原理和實現(xiàn)方法。核心概念進程的概念、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、進程控制塊、進程調(diào)度、死鎖的產(chǎn)生和處理內(nèi)存管理連續(xù)分配方式、分頁存儲管理、分段存儲管理、虛擬存儲器，了解不同內(nèi)存管理機制的優(yōu)缺點。進程的概念進程是一個正在執(zhí)行的程序的實例。它是一個動態(tài)的概念，包含了程序的代碼、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)資源。進程是操作系統(tǒng)進行資源分配和調(diào)度的基本單位，每個進程都擁有自己的獨立的地址空間和系統(tǒng)資源。進程的狀態(tài)就緒狀態(tài)進程已準備就緒，等待分配處理機。運行狀態(tài)進程已分配到處理機，正在執(zhí)行。阻塞狀態(tài)進程正在等待某個事件發(fā)生，如I/O操作完成或資源可用。進程控制塊進程控制塊（PCB）是操作系統(tǒng)用來管理進程的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了進程運行所需的關(guān)鍵信息。每個進程都有一個唯一的PCB，用于跟蹤和控制進程的執(zhí)行。PCB中包含進程標識符、進程狀態(tài)、程序計數(shù)器、CPU寄存器、內(nèi)存地址空間、文件描述符、優(yōu)先級等信息。這些信息允許操作系統(tǒng)有效地管理進程，例如創(chuàng)建、調(diào)度、切換和終止進程。進程的創(chuàng)建1分配資源為新進程分配必要的系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、文件等。2創(chuàng)建PCB為新進程創(chuàng)建一個進程控制塊(PCB)，存儲相關(guān)信息。3初始化PCB初始化PCB中的各個字段，例如進程狀態(tài)、優(yōu)先級等。4加入就緒隊列將新進程加入到就緒隊列中，等待調(diào)度執(zhí)行。進程創(chuàng)建的過程涉及一系列步驟，從分配資源到初始化進程控制塊，最終將新進程加入就緒隊列等待執(zhí)行。進程的切換保存當前進程狀態(tài)保存CPU寄存器、程序計數(shù)器、內(nèi)存狀態(tài)等信息。加載新進程狀態(tài)將待運行進程的上下文信息加載到內(nèi)存。切換到新進程將CPU控制權(quán)交給新進程，使其開始執(zhí)行。進程的終止1進程釋放資源釋放占用的內(nèi)存、文件和其他資源。2通知父進程向父進程發(fā)送終止信號，通知其子進程已終止。3從進程表中刪除從操作系統(tǒng)維護的進程表中刪除該進程。進程終止是指結(jié)束一個正在運行的進程。這是一個正常且必要的過程，因為進程可能完成任務(wù)或遇到錯誤而需要停止。進程調(diào)度策略進程調(diào)度進程調(diào)度是指操作系統(tǒng)決定哪個進程應(yīng)該在什么時候運行，并分配CPU資源的過程。進程調(diào)度策略可以分為兩種：搶占式和非搶占式。調(diào)度目標提高CPU利用率，減少系統(tǒng)開銷，實現(xiàn)公平調(diào)度，滿足不同進程對資源的需求。常見的進程調(diào)度策略包括先來先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、時間片輪轉(zhuǎn)、優(yōu)先級調(diào)度、多級反饋隊列算法等。短期調(diào)度CPU分配短期調(diào)度器負責將就緒狀態(tài)的進程分配給CPU。它選擇一個進程并將其裝入內(nèi)存，準備執(zhí)行。快速響應(yīng)短期調(diào)度器的目標是快速做出調(diào)度決策，以最大程度地減少上下文切換開銷并保持系統(tǒng)效率。動態(tài)決策短期調(diào)度器根據(jù)進程的優(yōu)先級、內(nèi)存需求和其他因素做出實時決策，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。中期調(diào)度11.降低內(nèi)存占用暫時將一些進程從內(nèi)存中移出到外存中，以降低內(nèi)存的占用率。22.提高系統(tǒng)吞吐量將處于阻塞狀態(tài)的進程移出內(nèi)存，可以為其他等待運行的進程騰出空間。33.平衡系統(tǒng)資源通過調(diào)節(jié)內(nèi)存中運行的進程數(shù)量，可以提高系統(tǒng)資源的利用率。44.提高系統(tǒng)穩(wěn)定性避免由于內(nèi)存不足導致系統(tǒng)崩潰，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。長期調(diào)度長期調(diào)度長期調(diào)度又稱為作業(yè)調(diào)度。它決定哪些作業(yè)可以進入系統(tǒng)，并分配系統(tǒng)資源。通常，長期調(diào)度運行頻率很低，僅在系統(tǒng)空閑時進行。長期調(diào)度的作用選擇合適的作業(yè)進入系統(tǒng)可以有效地利用系統(tǒng)資源，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在多用戶環(huán)境下，需要選擇適當?shù)淖鳂I(yè)進入系統(tǒng)，以滿足不同用戶的需求。先來先服務(wù)算法排隊順序先來先服務(wù)算法按照進程到達系統(tǒng)的時間順序進行調(diào)度，先到達的進程優(yōu)先獲得處理機。簡單易懂此算法簡單易實現(xiàn)，無需額外的信息和計算，是一種直觀的調(diào)度策略。公平性算法對所有進程公平，不會對任何進程進行歧視，但可能導致效率低下。最短作業(yè)優(yōu)先算法算法簡介最短作業(yè)優(yōu)先算法(SJF)是一種非搶占式調(diào)度算法。它會選擇預計運行時間最短的作業(yè)進行調(diào)度，并一直運行到完成。優(yōu)點SJF算法可以最大程度地減少平均等待時間，提高系統(tǒng)效率。缺點SJF算法需要預知每個作業(yè)的運行時間，這在實際中難以實現(xiàn)。此外，它可能會導致長作業(yè)長時間等待，無法獲得資源。時間片輪轉(zhuǎn)算法時間片系統(tǒng)為每個進程分配一個時間片，當時間片用完時，系統(tǒng)就會強制剝奪該進程的CPU使用權(quán)，并將CPU資源分配給其他進程。輪轉(zhuǎn)進程按照先來先服務(wù)的順序排隊，輪流獲得CPU時間片。優(yōu)先級調(diào)度算法優(yōu)先級每個進程分配一個優(yōu)先級，優(yōu)先級高的進程優(yōu)先執(zhí)行。動態(tài)調(diào)整動態(tài)調(diào)整優(yōu)先級，比如等待時間長的進程優(yōu)先級會提高。問題可能會導致饑餓現(xiàn)象，即某些低優(yōu)先級進程長期無法獲得CPU。多級反饋隊列算法多級反饋隊列算法它是一種常用的進程調(diào)度算法。它根據(jù)進程的優(yōu)先級和等待時間，將進程分配到不同的隊列中進行調(diào)度。優(yōu)先級和時間片在每個隊列中，進程都按照時間片輪轉(zhuǎn)的方式進行調(diào)度，并根據(jù)優(yōu)先級進行調(diào)整。動態(tài)調(diào)整算法可以根據(jù)進程的實際運行情況，動態(tài)調(diào)整進程的優(yōu)先級和時間片，提高系統(tǒng)效率。死鎖的概念死鎖是多個進程因競爭資源而陷入的一種僵局，所有進程都處于等待狀態(tài)，無法繼續(xù)執(zhí)行，導致系統(tǒng)資源無法得到有效利用。死鎖的發(fā)生會導致系統(tǒng)性能下降，嚴重時甚至會造成系統(tǒng)崩潰，因此需要采取措施預防和解決死鎖問題。死鎖的產(chǎn)生條件互斥條件資源只能被一個進程使用，其他進程無法訪問。占有并請求條件進程已經(jīng)占有一部分資源，并請求其他資源，但其他資源被其他進程占有。不可剝奪條件進程已占有的資源在未完成使用前不能被其他進程強行奪走。循環(huán)等待條件多個進程形成循環(huán)等待資源關(guān)系，每個進程都在等待下一個進程所持有的資源。死鎖的預防11.剝奪資源如果一個進程已經(jīng)占有了若干資源，而它又申請新的資源，但該資源暫時不能滿足，則該進程可以釋放它已經(jīng)占有的資源。22.順序資源分配對所有資源類型進行排序，每個進程必須按照資源類型的順序申請資源。33.避免循環(huán)等待避免進程之間相互等待，可以通過設(shè)置資源分配順序或者限制進程申請資源的個數(shù)來實現(xiàn)。死鎖的避免銀行家算法銀行家算法是一種動態(tài)資源分配算法，它可以有效地避免死鎖的發(fā)生。該算法通過預先檢查系統(tǒng)資源，確保在滿足安全狀態(tài)的情況下分配資源，從而防止死鎖的出現(xiàn)。資源預留在進程創(chuàng)建時，預先為其分配所有需要的資源，避免在運行過程中因為資源不足而發(fā)生死鎖。這可以通過限制每個進程的最大資源需求來實現(xiàn)，但可能會導致資源浪費和系統(tǒng)效率降低。死鎖的檢測與解除死鎖檢測利用系統(tǒng)資源分配圖或其他算法檢測死鎖狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，則需要解除死鎖。死鎖解除通過撤銷進程、剝奪資源或回滾操作等方式，打破循環(huán)等待關(guān)系，解除死鎖。內(nèi)存管理概述內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，它負責分配和回收內(nèi)存資源，以滿足各種程序運行的需要。內(nèi)存管理的目的是提高內(nèi)存利用率，避免內(nèi)存碎片，提高程序執(zhí)行效率。連續(xù)分配方式單一連續(xù)分配將整個內(nèi)存空間劃分成兩個區(qū)域：操作系統(tǒng)區(qū)和用戶進程區(qū)。用戶進程獨占一個連續(xù)的內(nèi)存空間，并與操作系統(tǒng)共享內(nèi)存資源。分區(qū)分配將整個內(nèi)存空間劃分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)可以分配給一個進程。內(nèi)存碎片由于內(nèi)存空間的劃分，會導致內(nèi)存空間的浪費，形成“內(nèi)存碎片”，降低內(nèi)存空間利用率。分頁存儲管理1內(nèi)存劃分將內(nèi)存空間劃分為大小相等的頁面，每個頁面擁有獨立的頁號。2程序劃分將程序劃分成大小相同的頁面，每個頁面對應(yīng)一個頁號。3地址映射邏輯地址由頁號和頁內(nèi)偏移量構(gòu)成，物理地址由頁框號和頁內(nèi)偏移量構(gòu)成。4頁面替換當所需頁面不在內(nèi)存中時，需要從內(nèi)存中替換一個頁面。分段存儲管理程序的邏輯結(jié)構(gòu)分段存儲管理以程序的邏輯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將程序劃分成多個邏輯段，例如代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段等。每個段的大小可以不同，但必須是連續(xù)的邏輯地址空間。地址映射每個段都有自己的段號，系統(tǒng)使用段號和段內(nèi)偏移地址來定位程序中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)維護一個段表，用于存儲每個段的起始地址和段長等信息，方便地址映射。虛擬存儲器虛擬存儲器是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它使用硬盤作為主內(nèi)存的擴展。虛擬存儲器允許程序使用比物理內(nèi)存更多的內(nèi)存，這使得可以運行更大的程序，并提高系統(tǒng)性能。頁面置換算法最優(yōu)頁面置換算法該算法選擇未來最長時間不會被訪問的頁面進行替換。性能最佳，但無法在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)。先進先出（FIFO）算法選擇在內(nèi)存中駐留時間最長的頁面進行替換。實現(xiàn)簡單，但容易出現(xiàn)“抖動”現(xiàn)象。最久未使用（LRU）算法選擇最近最長時間沒有被訪問的頁面進行替換。性能較好，但需要記錄每個頁面的訪問時間，實現(xiàn)較為復雜。時鐘算法通過一個循環(huán)隊列來實現(xiàn)頁面置換。每次選擇下一個頁面時，檢查其訪問位。若訪問位為1，則將其清零，并繼續(xù)選擇下一個頁面。作業(yè)和進程的區(qū)別作業(yè)作業(yè)是一個完整的應(yīng)用程序，包含程