操作系统-进程管理课件

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协同工作的进程之间存在同步关系，但是进程之间的更 一般关系却是互斥（！！！），同时互斥又可以理解为 是一种特殊的同步（？？？）。 同步与互斥的解决方法 软硬件方法：
软件：单双标志、双标志改进、Peterson’s Algorithm 硬件：关中断、TS和swap指令
信号量机制：重点介绍 管程机制：基于面向对象的方法，将共享变量以及对于共享
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3 进程控制原语
创建进程、撤消进程、实现进程状态变迁都是操系统 的底层功能之一，称为进程控制。 进程控制程序通常做成原语，属于操作系统的内核。 内核：kernel，是OS的常驻部分，是对硬件的首次扩 充，它由原语、中断处理和设备驱动程序所组成。 原语：primitive，是一种特殊的系统调用命令，是 由若干条指令构成的用以完成特定功能的一段程序， 是机器指令的延伸，特点是原子性。 Create and Terminate,创建与终止； Process Switch，进程切换； Block and Wakeup,阻塞与唤醒； Suspend and Activate,挂起与激活
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进程的分类 系统进程：系统进程起着资源管理和控制的作用。或 者：执行操作系统核心代码的进程。 用户进程：执行用户程序的进程。 （系统进程优先于用户进程）
系统进程被分配一个初始的资源集合，为它独占，也以最高优 先权的资格使用。用户进程通过系统服务请求的手段竞争使用 系统资源； 用户进程不能直接做I/O操作，而系统进程可以做显示的、直接 的I/O操作。 系统进程在管态下活动，而用户进程则在用户态（目态）下活 动。
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进程状态转换-七状态模型转换 由于某种原因，导致一些进程被对换至外存，成为挂 起状态。 阻塞挂起状态（Blocked suspend）：进程在外存 并等待某事件的出现； 就绪挂起状态（Ready suspend）：进程在外存， 但只要进入内存，即可运行； 就绪状态(Ready)：进程在内存且可立即进入运行 态； 阻塞状态(Blocked)：进程在内存等待某事件出现

完成执行或被终止。
进程的创建与终止
创建进程
操作系统通过调用系统调用或其他进程来创建新进 程。
终止进程
进程可以正常终止或被其他进程强制终止。
进程调度的分类
1 非抢占式调度
进程不会被强制中断，直到主动让出CPU。
2 抢占式调度
操作系统会根据一定的优先级或时间片来中断正在运行的进程，将 CPU分配给其他进程。
进程同步的基本概念
进程同步是确保多个进程按照特定顺序执行的机制，以避免竞态条件和数据不一致的问题。
进程同步机制之互斥锁
互斥锁是最常用的进程同步机制，它确保在同一时间只能有一个进程访问共享资源。
操作系统课件：进程管理
本课程将详细介绍进程管理的各个方面，包括进程概念、进程状态与转换以 及进程调度算法等。让我们一起深入了解操作系统中最重要的组成部分之一。
什么是进程
进程是操作系统中正在执行的程序的实例。它是计算机系统中最基本的执行 单位，具有独立的内存空间和执行上下文。
进程控制块（PCB）的概念
进程控制块是操作系统中用于管理和控制进程的数据结构。它包含了进程的 状态信息以及与之相关的各种属性，如进程ID、优先级和资源占用情况。
进程状态及转换
创建
进程正在被创建，分配资源 并初始化。
就绪
进程已准备好执行，正在等 待CPU的分配。
运行
进程正在执行中。
阻塞
进程由于等待某种事件（如I/O操作）而暂停执 行。
进程调度算法的比较
先来先服务 （FCFS）
按进程到达的先后顺 序进行调度，非抢占 式。
最短作业优先 （SJF）
选择估计运行时间最 短的进程优先执行， 非抢占式。
轮转调度（RR）

和协作。
进程迁移
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为了提高系统可靠性和可用性，分布式系统支持进程迁移，确
保关键任务能够持续运行。
负载均衡
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分布式系统通过负载均衡技术，将任务分配到不同节点上执行
，提高系统整体性能。
THANKS
感谢观看
当系统中存在多个等待资源的进程，且每 个进程都持有至少一个资源并等待获取被 其他进程持有的资源时，就会产生死锁。
通过设置资源分配顺序或限制资源请求量 来避免饥饿。
• 死锁预防
• 死锁避免
通过破坏死锁产生的必要条件来预防死锁 ，例如预先分配资源、设置最大需求量等 。
在分配资源时进行检测和限制，避免产生 死锁，例如银行家算法。
进程的状态及其转换
总结词
阐述进程的三种基本状态及转换关系
详细描述
进程状态分为新建、运行、阻塞和就绪等状态。新建状态是进程被创建时的状态，运行状态是进程获 得CPU并执行的状态，阻塞状态是进程等待某个条件成立而暂时无法执行的状态，就绪状态是进程已 具备运行条件但未获得CPU时的状态。不同状态之间可以相互转换。
进程管理在操作系统中的应用
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进程调度
操作系统通过进程调度算 法，合理分配系统资源， 确保进程能够高效地运行 。
进程同步
操作系统提供进程同步机 制，实现多个进程之间的 协同工作，避免资源竞争 和死锁。
进程通信
进程之间通过消息传递、 共享内存等方式进行通信 ，实现数据交换和协同工 作。
多核处理器下的进程管理技术
进程与程序的区别和联系
总结词
比较进是程序的一次执行过程，具有动态特性和独立性。 程序是静态的，而进程是动态的。程序是永存的，进程是暂时的。程序是过程的代码， 而进程是执行这些代码的过程。一个程序可以对应多个进程，但一个进程不能对应多个

P .... pturn = true; while (qturn);
临界区 pturn = false;
...
Q ..... qturn = true; while (pturn); 临界区 qturn = false;
...
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软件解法(4):Dekker算法（1/2）
在解法(3)基础上引入turn枚举类型 P : while (true) { pturn = true; while (qturn) { if (turn==2) { pturn = false; while (turn==2)； pturn = true; }
初值任意
} 临界区
turn = 2;
pturn = false;
..... }
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软件解法(4)（2/2）
Q : while (true) { qturn = true; while (pturn) { if (turn==1) { qturn = false; while (turn==1)； qturn = true; }
}
临界区
turn = 1;
{ 启动车辆； 正常运行； 到站停车；
}
售票员 P2 while (true) {
关门； 售票； 开门； }
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进程的互斥（间接作用）
由于各进程要求共享资源，而有些资源需要互斥 使用，因此各进程间竞争使用这些资源，进程 的这种关系为进程的互斥
临界资源：critical resource
系统中某些资源一次只允许一个进程使用， 称这样的资源为临界资源或互斥资源或共享变 量
进程互斥的解决有两种做法: ➢ 由竞争各方平等协商 ➢ 引入进程管理者，由管理者来协调竞争各方对 互斥资源的使用

别和进程调度。启动一个进程有两个主要途径：手工启动和调度启 动。 1. 手工启动 由用户输入命令，直接启动一个进程便是手工启动进程。 手工启动进程又可以分为前台启动和后台启动。 • 前台启动——手工启动一个进程的最常用的方式。 • 后台启动——很少用。 2. 调度启动 这种启动方式是事先进行设置，根据用户要求让系统自行启动。
-p
指定kill命令只显示进程的PlD，并不真正送出结束信号
-e
显示信号名称列表
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三、 控制系统中的进程
Linux进程优先级(PR)，使用0～34的整数代表；整数值越低，标 示该进程优先级越高
nice命令 nice命令用于指定进程运行的优先级。其命令格式为：
# nice –n command
➢ 进程控制指的是控制正在运行的进程的行为。在Linux中也称为作 业控制。
➢ Shell将记录所有启动的进程情况，在每个进程执行过程中，用户 可以任意地挂起进程或重新启动进程。
➢ 作业控制是许多Shell的一个特性，使用户能在多个独立进程间进 行切换。
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一、 进程的概念
进程的类型和启动方式
-c
当程序被交换到交换空间时，用于显示命令栏
-l
长格式显示
-w
宽行输出，不截取命令行
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输出项 PID PPID TTY STAT TIME COMMDAN/CMD USER %CPU %MEM SIZE
二、 查看系统中的进程
ps命令输出的重要信息的含义
说明 进程号 父进程的进程号 进程启动的终端 进程当前状态，S代表休眠状态，R代表运行状态 进程自从启动以来占用CPU的总时间 进程的命令名 用户名 占用CPU时间与总时间的百分比 占用内存与系统内存总量的百分比 进程代码大小+数据大小+栈空间大小（单位：KB）

5.异步性：（间断性）
第二进章程管进理 程 管 理
❖ 2. 进程的三种基本状态 ‫ ٭‬就绪状态 ‫ ٭‬执行状态 ‫ ٭‬阻塞状态
I/O完成
就绪
时间片完
进程调度
阻塞
I/O请求
执行
进程的三种基本状态及其转换
第二进章程管进理 程 管 理
❖ 3. 挂起状态（被换出内存的状态）
‫ ٭‬引入原因 ▪ 终端用户请求 ▪ 父进程请求 ▪ 负荷调节需要 ▪ 操作系统需要
第二进章程管进理 程 管 理
第二章 进程管理
2.1 进程的基本概念 2.2 进程控制 2.3 进程同步 2.4 经典进程的同步问题 2.5 进程通信 2.6 线程 的基本概念 2.7 线程的实现
第二进章程管进理 程 管 理
2.1 进程的基本概念
2.1.1 前驱图的定义 2.1.2 程序的顺序执行 2.1.3 程序的并发执行 2.1.4 进程的定义与特征 2.1.5 进程控制块
❖ 2.进程控制块中的信息 ‫ ٭‬标识、处理机状态，进 程调度信息，进程控制 信息
pid 进程状态
现场 优先级 阻塞原因 程序地址 同步机制 资源清单 链接指针
第二进章程管进理 程 管 理
❖ 3.PCB的组织 ‫ ٭‬链接
执行指针 就绪队列指针 阻塞队列指针 空闲队列指针
以静态形式给出
PCB1 4 PCB2 3 PCB3 0 PCB4 8 PCB5 PCB6 7 PCB7 9 PCB8 0 PCB9 1
❖ n++;在printf(n)；和n=0;之后，则n值分别 为5,0,1.
❖ n++;在printf(n)；和n=0;之间，则n值分别 为5,6,0.

第3章 进程管理
3.1 引言 3.2 进程的引入和定义 3.3 进程的状态和进程控制块 3.4 进程控制 3.5 线程的基本概念 3.6 进程调度 3.7 进程通信 3.8 死锁问题
本章学习目标
在多道程序环境下，程序不能独立运行。作为资源分配和 独立运行的基本单位是进程。操作系统所有的特征都是基 于进程而体现的。所以，本章的主要问题是：
图3.8 环形缓冲池
下面给出基于环形缓冲区的生产者与消费者关系的 形式描述，设：
（1）公用信号量mutex：初值为1，用于实现临界区 互斥。
（2）生产者私用信号量empty：初值为n，指示空缓 冲块数目。
（3）消费者私用信号量full：初值为0，指示满缓冲 块数目。
（4）整型量i和j初值均为0，i指示首空缓冲块序号， j指示首满缓冲块序号。 ❖模块 设计如下：
3.3.2 进程控制块
为了刻画进程的动态变化，通常把进程表示为由 程序段、私有数据块和进程控制块组成，如图3.4 （a）所示。程序部分描述进程本身所要完成的 功能，而“私有数据块”是接受程序规定操作的 一组存储单元的内容，是操作的对象。进程控制 块是在进程创建时产生的，当进程存在于系统时 （运行），进程控制块就标识了这个进程。如图 3.4（b）所示。
3.2.2 进程的定义
进程与程序的区别和相互关系 ： （1）动态性和静态性。 （2）从结构上看每个进程的实体都是由程序段和相应的数据 段两部分构成的，这一特征与程序的含义相近。 （3）一个进程可以涉及到一个或几个程序的执行；反之一程 序可以对应多个进程，即同一程序段可在不同数据集合上运行， 可构成不同的进程 。 （4）并发性。 （5）进程具有创建其他进程的功能。 （6）操作系统中的每一个程序都是在一个进程现场中运行的。

第三章 进程的描述与控制
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PCB的内容
进程描述信息：
进程标识符(process ID)，唯一，通常是一个整数 进程名，通常基于可执行文件名（不唯一） 用户标识符(user ID)；进程组关系
进程控制信息：
当前状态 优先级(priority) 代码执行入口地址 程序的外存地址 运行统计信息（执行时间、页面调度） 进程间同步和通信；阻塞原因
一个具有一定功能的程序关于某个数据集合 的一次运行活动。
进程是一个程序与其数据一道通过处理机的 执行所发生的活动
第三章 进程的描述与控制
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进程同程序的比较
程序是指令的有序集合，其本身没有任何运行的含 义，是一个静态的概念。而进程是程序在处理机上 的一次执行过程，它是一个动态的概念。
程序可以作为一种软件资料长期存在，而进程是有 一定生命期的。程序是永久的，进程是暂时的。
间断性 失去程序的封闭性 不可再现性
第三章 进程的描述与控制
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2.1.2 进程的定义
进程的概念是60年代初首先由麻省理工学 院的MULTICS系统和IBM公司的CTSS/360 系统引入的。进程有很多各式各样的定义， 如：
行为的一个规则叫做程序，程序在处理机上 执行时所发生的活动称为进程（Dijkstra）
第三章 进程的描述与控制
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2.1.5 进程控制块（Process Control Block）
为了描述一个进程和其它进程以及系统资源 的关系，为了刻画一个进程在各个不同时期 所处的状态，人们采用了一个与进程相联系 的数据块，称为进程控制块（PCB）。
系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB 是系统感知进程存在的唯一标志 进程与PCB是一一对应的

应多个“计算”，程序与“计算”已不再一一对应
3.1 进程的引入
3-1-4 多道程序设计
➢ 定义 在采用多道程序设计的计算机系统中，允许多个程序同时进
入一个计算机系统的主存储器并运行，这种让多个程序同时进 入计算机计算的方法称为多道程序设计。 ➢ 目的
提高处理器的效率，从而提高整个系统的效率 ➢ 必须解决的问题
中断处理、进程管理、资源管理中的基本操作 ➢ 原子操作
所谓原子操作是指：一个操作中的所有动作，要么全做，要么全不做。 换言之，原子操作是一个不可分割的操作
3.2 进程
▪ 进程的创建
➢ 进程图 －进程图是用于描述进程家族关系的有向树 －子进程可以继承父进程所拥有的资源，当子进程撤销时，应将从父进程
那里获得的资源归还给父进程；在撤销父进程时，也必须同时撤销其所有的 子进程 ➢ 引起创建进程的事件
再按新进程的PCB中的处理机状态设置CPU环境 ➢ 进程唤醒过程
调用唤醒原语wakeup( )将等待该事件的进程唤醒 －把被阻塞进程从等待该事件的阻塞队列中移出 －将其PCB中的现行状态由“阻塞”改为“就绪” －然后再将该进程插入到就绪队列中
3.2 进程
▪ 进程的挂起与激活
➢ 进程的挂起过程 当出现了引起进程挂起的事件时，系统就利用挂起原语suspend( )将指
态，亦即进程的执行受到阻塞，故称这种状态为阻塞状态，有时也称为“等 待”状态或“睡眠”状态。 ▪ 进程状态的转换
－ 就绪→执行状态 处于就绪状态的进程，当进程调度为之分配了处理机后 － 执行→阻塞状态 正在执行的进程因发生某种事件而 无法执行 － 执行→就绪状态 正在执行的进程如因时间片用完或 一个优先权高的进程到来而被暂停执行 － 阻塞→就绪状态 处于阻塞状态的进程，其等待的事件已经发生

思考？
1．如果系统中有N个进程，运行的进程最多几个，最 少几个；就绪进程最多几个最少几个；等待进程
最多几个，最少几个？ 2. 有没有这样的状态转换，为什么？
等待—运行； 就绪—等待
第二章 进 程 管 理
2.1.5 进程控制块
为了描述一个进程和其它进程以及系统资源的关系，为了 刻画一个进程在各个不同时期所处的状态，人们采用了一 个与进程相联系的数据块，称为进程控制块（PCB）。 系统利用PCB来控制和管理进程，所以PCB是系统感知进 程存在的唯一标志 进程与PCB是一一对应的 1. 进程控制块的作用 进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能 独立运行的程序(含数据)，成为一个能独立运行的基本单 位，一个能与其它进程并发执行的进程。或者说，OS是
S1: a∶=x+2
S2: b∶=y+4 S3: c∶=a+b S4: d∶=c+b
第二章 进 程 管 理
S1 S3 S2 S4
图 2-4 四条语句的前趋关系
第二章 进 程 管 理
2. 程序并发执行时的特征 1) 间断性 2) 失去封闭性 3) 不可再现性
例如，有两个循环程序 A 和 B，它们共享一个变量 N。程 序A每执行一次时，都要做N∶=N+1操作；程序B每执行一次 时， 都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。程序A和 B以不同的速度运行。 (1) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之前，此时得到的N值分 别为n+1, n+1, 0。 (2) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之后，此时得到的N值分 别为n, 0, 1。 (3) N∶=N+1在Print(N)和N∶=0之间，此时得到的N值分 别为n, n+1, 0。