進(jìn)程管理

概論：

并發(fā)程序和順序程序有本質(zhì)上的差別，為了能更好地描述程序的并發(fā)執(zhí)行，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)性和共享性，引入“進(jìn)程”的概念。
進(jìn)程是具有一定獨立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運行活動，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個獨立單位。
處理器是計算機(jī)系統(tǒng)中最重要的資源。在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的資源利用率，CPU將為某一程序獨占。通常采用多道程序設(shè)計技術(shù)，即允許多個程序同時進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存并運行

1.任務(wù)

保證cpu正確地同時運行多道程序

2.描述

進(jìn)程是系統(tǒng)中獨立地描述運行程序的基本單位，向系統(tǒng)請求資源分配的單位

3.引入

程序執(zhí)行：

1. 順序執(zhí)行特性：順序性（串行），封閉性（最終結(jié)果由給定初值決定，不受外界影響），可再現(xiàn)性（只要輸入不變，結(jié)果就不變）2. 并行執(zhí)行：多個事件同時刻發(fā)生-需求多個cpu資源3. 并發(fā)執(zhí)行：多個事件同時段發(fā)生并運行，進(jìn)程間分時交替執(zhí)行，但cpu分時復(fù)用的過程特性：間斷性（交替執(zhí)行），開放性（可以被中斷），不可再現(xiàn)性

名詞解釋：
程序是靜態(tài)的，特指代碼文件執(zhí)行時文件的放到內(nèi)存中
作業(yè)是批處理系統(tǒng)要裝入系統(tǒng)處理的一系列程序和數(shù)據(jù)
進(jìn)程是可并發(fā)執(zhí)行的的程序在某個數(shù)據(jù)集合上的一次執(zhí)行過程時操作系統(tǒng)資源保護(hù)，調(diào)度，分配的基本單位。其側(cè)重點是進(jìn)程是 1.已經(jīng)裝入內(nèi)存的 2.運行的 3.程序及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

進(jìn)程特征：

1. 結(jié)構(gòu)性：進(jìn)程實體（進(jìn)程映像）包括進(jìn)程控制塊（PCB），代碼塊，數(shù)據(jù)塊，堆棧2. 動態(tài)性：有創(chuàng)建產(chǎn)生，調(diào)度而運行，結(jié)束而消亡 相對的程序?qū)嶋H上就是文件，是靜態(tài)的并且持久存在3. 獨立性：都有自己的運行數(shù)據(jù)集，但進(jìn)程間也可數(shù)據(jù)通信，共享4. 并發(fā)性：但cpu并發(fā)，多cpu并行

兩類進(jìn)程：

一.系統(tǒng)進(jìn)程：

1.管理系統(tǒng)支援并行活動的并發(fā)軟件 2.有操作系統(tǒng)自身負(fù)責(zé) 3.直接管理軟硬件資源 4.優(yōu)先級高

二.用戶進(jìn)程：

1.系統(tǒng)提供服務(wù)的對象 2.由用戶自己負(fù)責(zé) 3.間接使用軟硬件資源（必須先向系統(tǒng)發(fā)出請求等待系統(tǒng)分配和調(diào)度資源） 4.優(yōu)先級低

進(jìn)程實體+運行環(huán)境=>進(jìn)程上下文：

1. 用戶級:由進(jìn)程的代碼區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)，用戶棧區(qū)和共享存儲區(qū)，在編譯目標(biāo)文件時產(chǎn)生，占據(jù)進(jìn)程的虛擬地址空間 2. 系統(tǒng)級：由進(jìn)程控制塊PCB，內(nèi)存管理信息，進(jìn)程環(huán)境塊和系統(tǒng)棧等組成 3. 寄存器上下文：由程序轉(zhuǎn)臺寄存器，各類控制寄存器，地址寄存器，通用寄存器和用戶棧指針等組成

當(dāng)一個進(jìn)程被系統(tǒng)調(diào)度而占有cpu是會發(fā)生cpu在新老進(jìn)程中切換，切換的內(nèi)容就是進(jìn)程上下文，進(jìn)程運行時再進(jìn)程的上下文中執(zhí)行的

進(jìn)程狀態(tài)及轉(zhuǎn)換：
3個狀態(tài):
1.執(zhí)行:占用cpu資源
2.就緒：占用除cpu以外的所有資源
3.阻塞：占用資源較少，一般是占用除cpu，內(nèi)存以外的所有資源，只是在等待某件事情的發(fā)生 eg:等待i/o輸入

狀態(tài)之間的關(guān)系:

執(zhí)行到就緒:1.時間片用完2.中斷,優(yōu)先級高的進(jìn)入 進(jìn)程創(chuàng)建時:分配到了除cpu,內(nèi)存外的所有資源
進(jìn)程終止時(正常結(jié)束/出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時):進(jìn)入終止?fàn)顟B(tài)的進(jìn)程不再被執(zhí)行,系統(tǒng)將其處理后會刪除它并回收占用資源

補(bǔ)充:
由內(nèi)存是否充足還可加上掛起狀態(tài),正常就緒缺內(nèi)存就為掛起就緒狀態(tài),正常阻塞缺內(nèi)存就為掛起阻塞狀態(tài).被掛起的進(jìn)程只有被激活才能由外存調(diào)入內(nèi)存處于就緒狀態(tài)

4.進(jìn)程控制

一.進(jìn)程控制塊PCB
記錄描述進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)及控制進(jìn)程運行的信息,是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識
由于其經(jīng)常被系統(tǒng)訪問,所以PCB常駐內(nèi)存
PCB中的信息有

進(jìn)程的標(biāo)識信息
(1).內(nèi)部標(biāo)識:用于操作系統(tǒng)管理進(jìn)程,一般由數(shù)字表示
(2).外部標(biāo)識:進(jìn)程創(chuàng)建者提供的進(jìn)程名,用于用戶訪問進(jìn)程時的標(biāo)識,一般由數(shù)字和字母組成

當(dāng)前進(jìn)程運行的現(xiàn)場信息,用于之后如果被中斷用其恢復(fù)到運行狀態(tài)

控制信息:程序,數(shù)據(jù)地址,進(jìn)程同步,通信機(jī)制

操作系統(tǒng)是根據(jù)PCB來對進(jìn)程控制和管理的,將所有進(jìn)程的PCB集中在系統(tǒng)中合成PCB表，大小決定了系統(tǒng)的并發(fā)度，從某進(jìn)程的進(jìn)程控制塊中查出其現(xiàn)行狀態(tài)及優(yōu)先級
進(jìn)程暫停(中斷時):必須將其斷點處的cpu環(huán)境保存在PCB中

進(jìn)程隊列的組織方式：

線性

鏈?zhǔn)?/li>

索引

二．進(jìn)程控制
１.創(chuàng)建進(jìn)程：

通過創(chuàng)建原語創(chuàng)建

命名進(jìn)程（設(shè)置進(jìn)程標(biāo)識符）－＞從PCB集合中申請空的PCB－＞確定優(yōu)先級－＞建立共享程序段鏈接指針－＞分配除CPU，內(nèi)存的其他各種資源－＞初始化PCB－＞若內(nèi)存充足就加入到就緒隊列中否則放到外存中等待（掛起就緒）

創(chuàng)建進(jìn)程的事件：用戶登錄，作業(yè)調(diào)度，提供服務(wù)

引用請求：使用系統(tǒng)調(diào)用完成創(chuàng)建

2.通過介質(zhì)：原語

1.是指若干指令所組成的用于實現(xiàn)某個特定功能，在執(zhí)行過程中不可被中斷的程序段（不可分割，不可并發(fā)） 2.是系統(tǒng)核心的一個組成部分，同PCB一樣也是常駐內(nèi)存的，通常在核心態(tài)下運行

3.兩態(tài)

兩態(tài)（cpu模式）

核心態(tài)（管態(tài)）：內(nèi)核代碼設(shè)備驅(qū)動需核心態(tài)，無限制指令特權(quán)，自由放文內(nèi)存空間有效地址，直接進(jìn)行設(shè)備端口操作

用戶態(tài)（目態(tài)）：受保護(hù)模式等安全限制，普通指令，使用頁表映射虛擬地址空間，訪問系統(tǒng)允許的映射端口

中斷或者系統(tǒng)調(diào)用時cpu模式由用戶態(tài)->核心態(tài)，執(zhí)行系統(tǒng)服務(wù)（此時進(jìn)程仍在原上下文中進(jìn)行）。當(dāng)中斷響應(yīng)和系統(tǒng)服務(wù)完成之后通過逆向模式切換，恢復(fù)中斷進(jìn)程的運行

4.進(jìn)程狀態(tài)間的聯(lián)系

撤銷與終止進(jìn)程：

找PCB ->找到->撤銷該進(jìn)程和其子孫進(jìn)程—>釋放進(jìn)程工作空間和PCB空間->沒有找到->異常終止處理程序

撤銷原語:撤銷的是標(biāo)志進(jìn)程存在的進(jìn)程控制塊而不是進(jìn)程的程序段（因為程序段可能是多個進(jìn)程的一部分）

阻塞與喚醒進(jìn)程：
阻塞是一種自主行為，喚醒是被動行為（由釋放資源/觸發(fā)事件調(diào)用喚醒原語）
喚醒原語：把除cpu外其他所有資源都得到的進(jìn)程設(shè)為就緒狀態(tài)
掛起與激活進(jìn)程

掛起與激活進(jìn)程：
掛起原語可以進(jìn)程自己調(diào)用也可其他進(jìn)程/系統(tǒng)調(diào)用，但激活原語只能由其他進(jìn)程/系統(tǒng)調(diào)用
被掛起進(jìn)程的非常駐內(nèi)存部分將交換到外存（磁盤）中

5.進(jìn)程互斥與同步
并發(fā)運行多程序時存在兩種基本管理：競爭和協(xié)作
對資源競爭的兩個極端：死鎖與饑餓

死鎖：各進(jìn)程都分有/部分分有一些資源使得沒有一個進(jìn)程能運行

饑餓：被長期忽視而分配不到CPU執(zhí)行

互斥：進(jìn)程爭奪獨占資源而產(chǎn)生的競爭制約關(guān)系
同步：進(jìn)程為共同完成任務(wù)基于某個條件來協(xié)調(diào)其運行進(jìn)度，執(zhí)行次序而等待，傳遞信號/消息而產(chǎn)生的協(xié)作制約關(guān)系
聯(lián)系：互斥是一種特殊的同步

臨界資源（獨占資源）：某段時間只能由一個進(jìn)程使用的資源
臨界區(qū)：用于訪問臨界資源的代碼段

臨界區(qū)管理: 軟件:設(shè)置標(biāo)志位，flag（用于進(jìn)程本身，是否在臨界區(qū)中）+turn(用于臨界區(qū)，是否被占用） 若flag=1， turn=0則進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)同時turn=1，flag=0turn=1則等待 硬件：1.禁止中斷（缺點明顯，效率降低，不能處理重要進(jìn)程，多cpu下失效）2.特殊指令（也可看為是信號量的方法）

同步機(jī)制：1.有鎖（類比串行執(zhí)行，浪費cpu的時間）2.信號量+PV操作3.管程（把分散在各進(jìn)程中的臨界區(qū)集中起來管理（既便于系統(tǒng)管理資源又能保證互質(zhì)訪問）用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象表示共享資源，防止進(jìn)程有意無意做違法同步操作）
6.信號量

信號量是進(jìn)程在某一特殊點上被迫停止執(zhí)行（阻塞）直到接收到一個對應(yīng)的特殊變量值，是資源的實體，是一個與隊列有關(guān)的整型變量
信號量除了初值外，只能由PV操作修改

p(s)將資源量-1 若s<0則堵塞等待（插入到該信號量對應(yīng)阻塞隊列中） v(s)將資源量+1 如內(nèi)存中s<=0則喚醒其中的一個阻塞等待進(jìn)程（變?yōu)榫途w狀態(tài)） （當(dāng)s>0時說明沒有阻塞的進(jìn)程不需要喚醒） 其中s為可用資源量也為信號量 互斥信號量（即資源只有一個對應(yīng)的信號量）一定設(shè)為1，其他有多少設(shè)多少（但注意考慮限制條件） 信號量即可用來實現(xiàn)異步并行進(jìn)程間的互斥還可實現(xiàn)同步

主要作用：

封鎖臨界區(qū)

進(jìn)程同步

維護(hù)資源計數(shù)

5.進(jìn)程通信

三種方法：1.消息傳遞 2.共享內(nèi)存 3.管道通信
一.消息傳遞
適用于少量的數(shù)據(jù)，要求消息傳遞的兩個進(jìn)程在一次傳送數(shù)據(jù)過程中相互同步
消息：進(jìn)程之間以不連續(xù)的成組方式發(fā)送的信息
消息通過信息緩沖區(qū)在進(jìn)程間相互傳遞，通信數(shù)據(jù)封裝在消息中

直接通信:直接發(fā)送/接收消息 間接通信:通過郵箱發(fā)送和接收消息 郵箱是一個共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，發(fā)送進(jìn)程將消息發(fā)送到郵箱后接收進(jìn)程從郵箱接收 發(fā)送進(jìn)程和接收進(jìn)程收發(fā)消息策略:至少有一個在等待對方，允許一方可以不等待自己先做自己的，對發(fā)送進(jìn)程超時沒有收到回送消息會再次發(fā)送或者放棄 對接收進(jìn)程只有當(dāng)有消息回復(fù)時才會去處理

二.共享內(nèi)存通信
系統(tǒng)應(yīng)該允許多個進(jìn)程將共享內(nèi)存映射放到自己地址空間中，這些進(jìn)程對各自映射的地址段讀寫操作的代碼放到臨界區(qū)中
三.管道通信
管道實際上是一個共享文件，可借助文件系統(tǒng)機(jī)制實現(xiàn)
管道是可以連續(xù)讀寫的特殊文件，允許進(jìn)程FIFO凡是傳送數(shù)據(jù)，也能是進(jìn)程同步執(zhí)行操作類比郵箱，發(fā)送進(jìn)程以字符流的形式將數(shù)據(jù)放入接收進(jìn)程從管道接受數(shù)據(jù)
收發(fā)消息的進(jìn)程間應(yīng)該是同步關(guān)系，進(jìn)程對管道的使用時互斥的
管道限制：

匿名管道：只允許父子進(jìn)程之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞

命名管道：不同的進(jìn)程都可以進(jìn)程數(shù)據(jù)傳遞->通信方式：1.字節(jié) 2.消息

管道發(fā)出的每一消息必須作為一條完整的消息讀入

6.進(jìn)程調(diào)度

功能：通過一定的策略將CPU分配給處于就緒隊列中的某個進(jìn)程
一.調(diào)度模型

1.高級調(diào)度（作業(yè)調(diào)度） 在實時和分時系統(tǒng)中不需要，主要用于創(chuàng)建作業(yè)進(jìn)程和為其服務(wù)的系統(tǒng)進(jìn)程
2.中級調(diào)度（平衡調(diào)度）在內(nèi)存不足是采用虛擬存儲技術(shù)擴(kuò)充內(nèi)存-有點類似于內(nèi)存分配策略
3.低級調(diào)度（進(jìn)程調(diào)度）主要是為進(jìn)程進(jìn)行CPU資源的分配

二.調(diào)度算法
1. 先來先服務(wù)FCFS：屬于非搶占式調(diào)度，優(yōu)點：長作業(yè)有力，CPU繁忙型作業(yè)有利 缺點：短作業(yè)不利，IO繁忙型，要求響應(yīng)時間高的不利
2. 短作業(yè)優(yōu)先SJF：非搶占式調(diào)度,優(yōu)點：調(diào)度性能優(yōu)于FCFS但對長作業(yè)不利，忽視了作業(yè)的等待時間，如果不斷的接受短作業(yè)，長作業(yè)會出現(xiàn)饑餓現(xiàn)象
3. 最短剩余時間優(yōu)先SRTF：搶占式調(diào)度，優(yōu)點性能優(yōu)于SJF，但是需要計算剩余時間開銷比較大，并且長作業(yè)仍然存在饑餓現(xiàn)象
4. 高響應(yīng)比HRRF：非搶占式調(diào)度，是綜合考慮了FCFS的沒有考慮作業(yè)的運行時間和SJF的沒有考慮作業(yè)等待時間，是他們之間比較折中的算法

響應(yīng)比=作業(yè)現(xiàn)等待時間+作業(yè)估計運行時間/作業(yè)估計運行時間

5.優(yōu)先權(quán)：搶占式調(diào)度，優(yōu)先級越小，優(yōu)先級越高
算法效率：SRJF>SJF>HRRF>FCFS
前面的算法在作業(yè)和進(jìn)程中都是可以使用的
6.時間片輪轉(zhuǎn)：搶占式調(diào)度，關(guān)鍵在于設(shè)置時間片的大小，如果太大就會退化為FCFS，如果過小就會導(dǎo)致頻繁切換開銷較大
7.多級反饋隊列：搶占式調(diào)度，是基于時間片的反饋循環(huán)隊列，多個就緒隊列最高級就緒隊列優(yōu)先級最高但是獲取到的時間片比較短。相反低優(yōu)先級其時間片長
后兩種算法都是只能用于進(jìn)程中
這些算法的評價標(biāo)準(zhǔn)可以看：
算法評價
三.死鎖
產(chǎn)生原因：并發(fā)進(jìn)程對臨界資源的競爭以及并發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)順序不當(dāng)
四大必要條件：

互斥條件：資源的使用時互斥的->解決方法：使資源可以同時訪問

占有與等待條件：已經(jīng)得到資源的進(jìn)程可以申請新的資源，且得到的資源不釋放->解決方法：可以使用靜態(tài)分配（僅當(dāng)系統(tǒng)能滿足進(jìn)程資源要求且分配資源給進(jìn)程后才能執(zhí)行）

不可剝奪條件：只能由自身釋放資源->解決方法：采用剝奪式調(diào)度

環(huán)路等待條件：存在一個有若干進(jìn)程形成的環(huán)路請求鏈->解決方法：層次分配或者靜態(tài)分配或按序分配法

死鎖的避免可以使用銀行家算法
死鎖定理：如果進(jìn)程-資源分配圖無環(huán)則無死鎖
如果有環(huán)且每個資源都僅有一個資源則死鎖。當(dāng)有多個資源是則只是環(huán)路等待的必要條件而非充分條件
死鎖充分條件：當(dāng)且僅當(dāng)該狀態(tài)下的進(jìn)程-資源分配圖是不可簡化的時候
死鎖檢測：1.基于死鎖定理 2.類似于銀行家算法中的安全性測試算法
死鎖的解除：1.重啟 2.撤銷 3.回滾

7.線程

見：線程

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统-进程管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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