操作系统进程管理

进程概述

        进程（porcess）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配的基本单位，是操作系统结构的基础，是指计算机中一致性的程序

• 进程是资源分配的单位，每个进程都有独立的内存空间和资源；它适合独立的、隔离的任务。
• 线程是程序执行的最小单位，同一进程内的多个线程共享资源；它适合高效执行和并发任务

进程引入原因

        理论角度：是对正在运行的程序过程的抽象

        实现角度：是一种数据结构，目的在于清晰地刻画动态系统的内在规律，有效管理和调度进入计算机系统主存储器运行的程序

        动态性：进程的实质是程序在多道程序系统中的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的

        并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行

        独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位

        异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进

        结构特征：PCB（进程控制）：保存进程运行期间相关的数据，是进程存在的唯一标志；

                        程序段：能被进程调度到CPU的代码；

                        数据段：存放数据

进程的状态

        运行态：进程正在占用CPU

        就绪态：进程已处于准备运行的状态，即进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行

        阻塞态：进程由于等待某一事件不能享用CPU

        创建状态：进程正在被创建

        结束状态：进程正在从系统消失

处理机调度

        是对处理机进行分配，即从就绪队列中按照定的算法（公平、高效）选择一个进程并将处理机分配给他运行，以实现进程并发地执行

        分类：

                高级调度（作用调度）

                中级调度（内存置换）

                低级调度（进程调度）

        调度方式：剥夺式、非剥夺式

        调度准则：CPU利用率、系统吞吐量、周转时间、等待时间、响应时间

*吞吐量 = 完成的任务数 / 单位时间

处理机调度算法

        先来先服务（FCFS）：先来的先调度

        短作业优先（SJF）：优点调度要求运行时间最短的作业

        优先级调度算法：优先级高者先调度

        高相应比优先调度算法时间片轮转（HRN）

        多级反馈队列调度算法

进程同步

原因

        协调进程之间的相互制约关系

制约关系

        进程同步也是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个线程，这个线程需要在某些位置上协调他们的工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们的合作

        互斥：间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，另一个进程才允许去访问此临界资源

临界资源

        一次仅允许一个进程使用的资源

临界区

        在每个进程中访问临界资源的那段程序，当多个线程并发执行时，如果他们都能访问和修改同一资源，就可能导致数据的不一致性和程序的错误行为。为了避免这种情况，临界区通过限制同时执行改段代码的进程数量，来确保对共享资源的访问是互斥的

临界区的作用

        保护共享资源：通过互斥访问机制，确保在任一时刻只有一个进程能够访问和修改共享资源，从而保护资源的一致性和完整性

        防止竞态条件：竞态条件是指多个进程同时访问共享资源时，由于执行顺序的不确定性而导致程序结果不可预测的情况。临界区通过确保同一时间只有一个进程执行，从而避免了竞态条件的发生

        提高程序的稳定性：通过合理设置临界区，可以减少并发程序中的错误和异常，提高程序的稳定性和可靠性

        临界区的实现通常依赖于同步机制，如互斥锁、信号量或条件变量

        互斥锁（Mutex）：互斥锁是最常用的同步机制之一。当一个进程进入临界区时，他会释放互斥锁。其他进程在尝试进入临界区时，如果互斥锁已被占用，则会被阻塞，直到互斥锁被释放

        信号量（Semaphore）：信号量是一种更通用的同步机制，它可以用来控制多个进程对多个资源的访问。在临界区场景中，信号量可以被设置成1，以模拟互斥锁的行为

        条件变量(Condition Variable):条件变量通常与互斥锁一起使用,用于在多个线程之间传递信号。虽然条件变量本身不直接用于实现临界区,但它可以在线程等待进入临界区时提供有效的等待和唤醒机制