操作系统学习---进程管理
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了操作系统学习---进程管理相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
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要点:
- 基础:进程描述及控制
- 策略:进程调度
- 实现:互斥与同步
- 避免:死锁与饥饿
- 解决:几个经典问题
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进程的引入
- 程序的顺序执行
- 源代码程序,目标程序和可执行程序
- 程序执行:编辑,编译,链接,执行
- 程序的结构:顺序,分支,循环结构
- 程序执行的特征:顺序性,封闭性,可再现性
- 程序并发执行
- 多道程序设计技术:多个程序并发执行
- 程序并发执行时的特征:间断性,非封闭性,不可再现性
- 并发执行引发的问题:
- 协调各程序的执行顺序:输入数据还未全部输入内存时,计算必须等待
- 多个执行程序共享系统资源,程序之间可能会相互影响,甚至影响输出结果
- 选择那些,多少个程序进入内存执行
- 内存中的执行程序谁先执行,谁后执行
- 内存如何有效分配?
- 程序的顺序执行
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引入进程带来的问题
- 增加了空间开销:为进程建立数据结构
- 额外的时间开销:管理和协调,跟踪,填写和更新有关数据结构,切换进程,保护现场
- 更难控制:协调多个进程竞争和共享资源如何预防;解决多个集成因为竞争资源而出现的故障
- 处理机的竞争尤为突出
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进程的结构
- 组成(进程映像):程序、数据集合、进程控制块PCB(Process Control Block)
- PCB是进程存在的唯一标志。创建进程时,创建PCB;进程结束时,系统将撤销其PCB
- PCB中的信息: 进程名、进程状态、进程优先级、信号量、现场保护区、进程参数、进程程序地址
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PCB
- 进程标识信息:进程的内部(系统分配给它的标示)和外部标示符(name of a person)
- 处理机状态信息:通用寄存器值,指令计数器值,程序状态字PSW值,用户栈指针值
- 进程调度信息:进程状态,进程优先权,进程调度的其他信息
- 其他信息:程序及数据指针,进程同步和通讯机制,资源清单,连接指针
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PCB的组织方式
- 单一队列:所有进程的PCB通过链表组织成为一个单一队列。适用于进程数目不多的系统。如windows操作系统
2. 表格结构(查找效率较高)
PCB按进程状态不同组织成不同的表格:就绪进程表,执行进程表(多机系统中)及阻塞进程表
系统分别记载各PCB表的起始地址
3. PCB多级队列
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多进程引发的问题
- 多个进程竞争内存资源
- 内存资源紧张
- 无就绪进程,处理机空闲:I/O的速度比处理机的速度慢很多,可能出现全部进程阻塞等待I/O
- 解决办法:
- 采用交换技术:换出一部分进程到外存,以腾出内存空间
- 采用虚拟存储技术:每个进程只能装入一部分程序和数据(存储管理部分)
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进程的控制
两种执行模式
1. 系统模式(又称为系统态)、控制模式或内核模式
① 具有较高特权
② 运行系统特定的指令,包括读写控制寄存器的指令,基本IO指令以及与存储管理有关的指令及一些特定的内存区
③ 内核模式下的处理机及其指令、寄存器和内存都受到完全控制和保护
2. 用户模式(或用户态)
① 较低的特权
② 用户一般运行在用户模式
模式切换
用户->系统:用户执行到一条系统调用,进入操作系统内核执行
系统->用户:执行完系统调用的功能,返回到用户程序
特殊情况:程序执行到结束语句时,切换到系统模式,不再返回到用户程序
进程调度
调度是指,在一个队列中,按照某种方法(算法),选择一个合适的个体的过程。
调度的关键是需要某种方法或者算法,好的调度算法有利于选择到合适的个体
调度目标:公平性、提高处理机利用率、提高系统吞吐量、尽量减少进程的响应事件
调度原则:
1. 满足用户的要求:
响应时间:考虑尽可能使绝大多数用户的请求能在响应时间内完成,常用于评价分时系统的性能
周转时间:作业提交给系统开始到作业完成的这段时间间隔,评价批处理系统的性能
截止时间:实时系统中,某任务必须开始执行的最迟时间,或必须完成的最迟时间,常用来评价实时系统的性能
2. 满足系统的需求:
系统吞吐量
处理机利用率
各类资源的平衡使用
公平性及优先级
调度方式:
1. 非剥夺方式
执行完毕or申请IO阻塞自己
不利于“及时性”要求较高的分时和实时系统,主要用于批处理系统
2. 剥夺方式
操作系统可以在新进程到来时,或某个具有较高优先权的被阻塞进程插入就绪队列时,或在基于时间片调度的的系统中,时间片用完而中断当前进程的执行,调度新的进程执行。这种方式会产生较多的中断,主要用于实时性要求较高的实时系统及性能要求较高的批处理系统
调度类型:
1. 批处理调度,分时调度,实时调度和多处理机调度
2. 长程调度(long-term scheduling,外存到内存):
又称为高级调度或者作业调度,它为被调度作业或用户程序创建进程,分配必要的系统资源,并将新创建的进程插入就绪队列,等待短程调度
某些采用交换技术的系统将新创建的进程插入到就绪/挂起队列,等待中程调度
在批处理系统中,作业进入系统后,先驻留在磁盘上,组织成批处理队列,称为后备队列。长程调度从该队列中选择一个或者多个作业,为之创建进程
需要考虑的问题:
① 选择多少个进入内存--取决于多道程序的度,即允许同时在内存中运行的进程数
② 选择哪些作业:取决于长程调度算法
3. 中程调度(进程间的外存内存之间)
又称为中级调度
内存空间紧张时,或处理机找不到一个可执行的就绪进程时,需要选择一个进程(阻塞或就绪状态)换出到外存,释放出内存空间给别的进程使用;当内存空间较充裕时,从外存选择一个挂起状态的进程调度到内存(换入);
目的:为了提供内存的利用率和系统的吞吐量
只有支持进程挂起的操作系统才具有中程调度功能
4. 短程调度(内存里):
也成为近程调度,或低级调度,决定就绪队列中的哪个进程将获得处理机
短程调度运行频率最高
现代操作系统几乎都具有短程调度功能
5. IO调度(相近的磁道)
进程调度算法
1、FCFS(先来先服务,同时适合于三种调度):
非剥夺调度方式,实现简单,看似公平
注意:对于后进入队列的运行时间较短的进程或者IO型进程而言,可能需要较长时间的等待
对段进程不公平
2、短进程优先(对FCFS的改进)
非剥夺
难以准确预测进程的执行时间
可能导致长进程饥饿
采用非剥夺调度方式,未考虑进程的紧迫程度,不适合于分时系统和事务处理系统
3、时间片轮转调度法
用户数多时进程急剧增加
时间片大小会影响处理性能
① 进程切换会增加系统额外开销
② 太长太短都不好
③ 需要综合考虑系统最大用户数,响应时间,系统效率等因素
对于短的,计算型的进程较有利
不适合IO型的进程
改进方法之一:可以将IO阻塞时间完成的进程单独组织成一个就绪队列,该队列进程的时间片可以设置的小一点,且优先调度
4、基于优先级的调度算法
设定进程的优先级
① 进程完成功能的重要性
② 进程完成功能的紧迫性
③ 为均衡系统资源的使用,指定进程(作业)优先级
④ 进程对资源的占用程度,例如,可以为短进程(或作业)赋予较高的优先级
静态与动态优先级
动态优先级:
剩余时间最短者优先(剥夺型)
响应比高者优先
进程的优先级与等待时间成正比
难以准确的估计进程的语气执行时间
计算响应比增加系统开销
5、反馈调度法
根据执行历史而非未来进行调度,将解决这个问题
根据进程的执行历史调整调度方式的调度方法,它结合了优先级和时间片轮转调度的方法
有利于交互性短进程或批处理作业,他们一般只需要一个或者几个时间片即可完成
可能是长进程的周转时间急剧增加
如果不断有新进程进来,还可能造成进程出现长期饥饿现象
可以为各队列设置不同的时间片,优先级愈低时间片愈长
进程的互斥与同步
问题:如何协调多个进程对系统资源(如内存空间,外部设备等)的竞争和共享?如何解决多个进程因为竞争资源而出现的执行结果异常,设置系统不稳定,失效等问题?
并发控制:
1、竞争资源
- 有可能造成死锁
- 某些资源必须互斥的使用--临界资源
- 访问临界资源的那段代码称为临界区
- 任何时刻,只允许一个进程进入临界区,以此实现进程对临界资源的互斥访问
2、互斥使用临界区
1. 在进程需要使用临界资源时,通过获得临界区的使用权实现的。
2. 首先,在进入区判断是否可以进入临界区,如果可以进入,则必须设置临界区使用标志,阻止其他后来的进程进入临界区。后来的进程通过查看临界区使用标志,知道自己不能够进入临界区,就进入阻塞队列,将自己阻塞
3. 当临界区内的进程使用完毕,退出临界区时,即在退出区修改临界区使用标志,并负责唤醒阻塞队列中的一个进程,让其进入临界区
4. 必须保证“临界区使用标志”是可以被系统中的所有进程共享的全局变量,而且诸进程对该标志的修改操作必须互斥的进行
3、临界区使用原则
1. 每次只允许一个进程进入临界区(忙则等待)
2. 进程只能在临界区内逗留有限时间,不得使其他进程在临界区外无限等待(有限等待)
3. 如果临界区空闲,则只要有进程申请就立即让其进入(空闲让进)
4. 进入临界区的进程,不能够在临界区内长时间阻塞等待某事件,必须在一定期限内退出临界区(让权等待)
5. 不能限制进程的执行进度及处理机的数量
4、竞争资源可能引起死锁
5、竞争资源可能引起饥饿
6、并发控制-共同协作
1. 多个进程常常需要共同修改某些共享变量,表格文件数据库等,协作完成一些功能
2. 必须确保他们对共享变量的修改时正确的,保证数据的完整型
3. 共享协作同样涉及到互斥死锁和饥饿问题,当更强调对数据的写操作必须互斥的进行
4. 必须保证数据的一致性(银行存款取款余额)
5. 一般通过事务处理来保证数据的一致性,进入临界区的进程必须一次性完成对这一些列数据的修改操作
6. 只有该进程退出临界区以后,才允许其他进程进入临界区进行数据修改,以保证数据的一致性。
7、并发控制-通信协作
当进程进行通信合作时,各个进程之间需要建立连接,通信进程需要同步和协调。进程通信的方式很多,包括消息传递,管道,共享存储区等。
通过消息传递实现进程通信时,由于没有共享资源,故无需互斥,但仍可能出现死锁与饥饿
通信死锁与饥饿
8、互斥与同步的解决策略
软件方法
由进程自己,通过执行相应的程序指令,实现与别的进程的同步于互斥,无需专门的程序设计语言或操作系统的支持
很难正确的控制进程间的同步与互斥,而且可能会大大增加系统的额外开销
硬件方法
通过屏蔽中断或采用专门的机器指令控制同步与互斥
减少了系统额外开销,需要太强的硬件约束条件,以及可能导致进程饥饿与死锁现象,没有成为通用的解决方法
信号量方法(重点)
由操作系统,或专门的程序设计语言提供特别支持,包括信号量方法,管程方法和消息传递方法
通用方法
管程方法
消息传递方法
9、软件方法
Dekker算法
Peterson算法
初步设想:控制两个互斥进入临界区,可以让两个进程轮流进入临界区
保证了互斥
出现忙等现象
a非要等b用完一次才能使用下一次
参考:
以上是关于操作系统学习---进程管理的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章