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。

  • 要点:

    1. 基础:进程描述及控制
    2. 策略:进程调度
    3. 实现:互斥与同步
    4. 避免:死锁与饥饿
    5. 解决:几个经典问题
  • 进程的引入

    1. 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
    2. 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?
  • 引入进程带来的问题

    1. 增加了空间开销:为进程建立数据结构
    2. 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
    3. 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
    4. 处理机的竞争尤为突出
  • 进程的结构

    1. 组成(进程映像):程序、数据集合、进程控制块PCB(Process Control Block)
    2. 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
    3. 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
  • PCB

    1. 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)
    2. 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
    3. 进程调度信息:进程状态,进程优先权,进程调度的其他信息
    4. 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
  •  PCB的组织方式

    1. 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

 

  • 多进程引发的问题

    1. 多个进程竞争内存资源
    2. 内存资源紧张
    3. 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
    4. 解决办法:
      1. 采用交换技术:换出一部分进程到外存,以腾出内存空间
      2. 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)
  •  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

    1. 有可能造成死锁
    2. 某些资源必须互斥的使用--临界资源
    3. 访问临界资源的那段代码称为临界区
    4. 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:

   操作系统原理学习笔记--进程管理   

   操作系统——进程管理     

   操作系统之进程管理      

   计算机操作系统之进程与线程      

   操作系统--进程管理 - 综合编程类其他综合     

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

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Python学习之路——Linux基础之系统进程管理

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Linux(RadHat)基础学习—进程管理

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