第二章 进程管理

第二章 进程管理

进程和线程相关概念

进程的定义和组成

进程的特征

在引入 线程 之后，进程不再是调度的基本单位。但是仍然是资源分配的基本单位

问：进程从运行态通过系统调用为什么会进入阻塞态？想问的是：为什么系统调用会使得进程阻塞？

当进程发起系统调用时，CPU 会从用户态切换到内核态，由内核处理请求。若内核无法立即完成请求（例如需要等待 I/O 设备响应、网络数据到达或锁释放），进程会进入阻塞态以释放 CPU 资源。

进程的组织-链接方式

就是操作系统是如何将进程的 PCB 进行组织和链接的？

两种：链式 和 索引 形式

链式：就是不同状态的队列

索引方式：（不常用）

进程控制

进程控制就是实现进程的状态转换

创建原语：

终止原语：

阻塞原语：阻塞和唤醒成对出现，由谁阻塞由谁唤醒

进程切换

进程通信

什么是进程间通信？涉及到两个及以上的进程间有操作关系。

进程间通信的方式：1. 共享内存方式 2. 消息传递方式

共享内存方式

1. 操作系统通过提供一块共享内存块，让其他进程将共享内存块映射到我们的独立的虚拟空间。

   

2. 消息通信，进程间通过发送消息

   消息通信又分为两种方式：直接通信方式和间接通信方式

   直接通信：

   

   间接通信：

   

3. 管道通信：通过一个内存共享区的缓冲区，但是和一般的内存共享区区别：一般的内存共享区可以在任意位置读写。但是管道只能按照队列的方式进行读写（先进先出）。而且从数据结构的角度看，这个管道其实是一个循环队列。

信号

信号如何发送？

通过调用发送信号的函数

信号是如何进行保存的？

通过位变量，对每种类型的信号进行保存。有待处理信号…

待处理信号和被阻塞信号是哪来的？

待处理信号就是通过其他进程进行传递的

被阻塞信号就是通过系统调用自行设置的（自行决定屏蔽）

哪些信号需要被处理？

通过待处理信号和被阻塞信号进行位运算：处理信号 = 待处理信号 & ~被阻塞信号 （其中为1的类型的信号将被处理）

信号处理的时机是什么时候？

当进程从内核态转用户态时

信号检查的时机和中断检查的时机分别在什么时候？

信号检查：当进程从内核态转用户态时

中断检查：当进程从用户态转内核态时

注意：

进程间进行信号发送时，只能父进程向子进程进行发送。

或者 内核级进程 向 任意进程进行发送

线程相关概念

线程实现方式：用户级线程和内核级线程

多线程模型：一对一、多对一、多对多

小结

调度

调度的概念和层次

进程调度的时机、切换以及切换过程、调度方式

闲逛进程

当就绪队列中没有就绪的进程时，那么 cpu 并不会空闲，而是会去执行默认的 闲逛进程。

调度算法的指标

调度算法

先来先服务（FCFS）

短作业优先（SJF）

那其实，当所有进程同时（或者说几乎同时到达），此时，非抢占式和抢占式的短作业优先算法的结果是相同的选择。

至于，为什么非抢占式并不是一定“最短的平均等待时间”？因为，非抢占式一定会局部出现“先来先服务”的情况。整体的短作业优先算法的规则：1. 先到达 2. 作业时间最短（两个条件）

高响应比优先算法（HRRN）

时间片轮转调度算法（RR）

分时、公平式、被动放弃（时钟中断） + 主动放弃（进程结束）

时间片过大，退化为先来先服务（一个时间片内足够所有任务完成）

时间片过小，cpu切换频繁，大量开销

优先级调度算法

优先级、抢占式 + 非抢占式 都有

多级反馈队列调度算法

多级队列调度算法

多处理机调度

进程互斥的软件实现方法

单标志：使用 turn 变量，表示谦让

双标志：使用 turn 变量，表示谦让；使用 flag数组 eg：表示flag[0]=true/false，表示0号进程想要处理机

互斥锁

出现忙等“自旋”

信号量

记录型信号量机制，需要等待的进程会自己调用阻塞原语进行自我阻塞操作

信号量机制实现互斥、同步、前驱关系

死锁

死锁的概念&死锁产生的条件&死锁的处理策略

小结

一、进程基本概念

1. 定义：进程是程序在操作系统中的一次执行实例，是资源分配和调度的基本单位。它包含程序代码、数据集合、进程控制块（PCB）以及运行时的系统资源（如内存、打开文件等）。

2. 进程控制块（PCB）：操作系统用于管理进程的核心数据结构，存储进程 ID、状态、优先级、程序计数器、寄存器值、资源分配信息等关键信息，是进程存在的唯一标志。

3. 进程与程序区别：程序是静态的代码文件，进程是动态的执行过程；同一程序可对应多个进程（如同时打开多个文本编辑器窗口）。

二、进程状态与转换

1. 基本状态

• • 就绪态：进程已获得除 CPU 外的所有必要资源，等待被调度执行。
• • 运行态：进程正在 CPU 上执行。
• • 阻塞态：因等待 I/O 操作、信号量或其他资源而暂停执行，处于非活动状态。

1. 状态转换

• • 就绪态→运行态：被进程调度器选中分配 CPU。
• • 运行态→就绪态：时间片用完或被高优先级进程抢占。
• • 运行态→阻塞态：发起 I/O 请求或等待资源时主动暂停。
• • 阻塞态→就绪态：等待的事件完成（如 I/O 操作结束）。

三、进程调度

1. 调度目标：提高 CPU 利用率、保证公平性、减少响应时间、提升吞吐量。

2. 调度算法

• • 先来先服务（FCFS）：按进程到达顺序调度，实现简单但可能导致短作业等待长作业，不利于交互性任务。
• • 短作业优先（SJF）：优先调度预计执行时间最短的进程，可降低平均等待时间，但存在 “饥饿” 问题（长作业长期无法执行）。
• • 时间片轮转（RR）：为每个进程分配固定时间片，时间片耗尽后切换，适用于分时系统，保证公平性。
• • 优先级调度：按进程优先级分配 CPU，可分为静态优先级（创建时确定）和动态优先级（运行中调整），可能导致低优先级进程饥饿。
• • 多级反馈队列：设置多个优先级队列，新进程进入高优先级队列，按时间片轮转执行；未完成则降级至低一级队列，兼顾响应时间和资源利用率。

四、进程同步与互斥

1. 临界资源与临界区：一次仅允许一个进程访问的资源称为临界资源，访问临界资源的代码段称为临界区。

2. 同步机制

• • 信号量：通过 P（等待）和 V（释放）操作实现进程同步与互斥，如用二元信号量实现互斥，用计数信号量控制资源数量。
• • 管程：封装共享资源及对其操作的代码，通过条件变量实现进程同步，避免信号量使用中的复杂逻辑错误。

1. 经典问题

• • 生产者 - 消费者问题：通过信号量协调生产者和消费者对共享缓冲区的操作，解决同步与互斥问题。
• • 读者 - 写者问题：允许多个读者同时访问共享资源，但写者访问时需独占，可通过读写锁优化性能。
• • 哲学家就餐问题：避免多个进程因竞争资源导致死锁，可通过资源分配策略（如同时分配所有资源）或打破死锁必要条件解决。

五、死锁

1. 定义：多个进程因竞争资源而形成循环等待链，导致所有进程无法继续执行。

2. 死锁必要条件：互斥条件、占有并等待条件、不可剥夺条件、循环等待条件。

3. 处理策略

• • 预防死锁：打破死锁四个必要条件中的一个（如采用资源静态分配法破坏占有并等待条件）。
• • 避免死锁：通过银行家算法动态评估资源分配安全性，拒绝可能导致死锁的分配请求。
• • 检测与解除：定期检测系统是否存在死锁，发现后通过撤销进程、剥夺资源等方式解除死锁。

以上全面总结了进程管理核心知识。如果你想深入了解某个知识点，或是需要更多相关案例分析，欢迎随时告诉我。