操作系统 进程 学习以及思考
2024-05-24 20:58:12
进程管理逻辑图
- 将多个程序拷贝到进程中，占用内存，如图扇形区域，当酷狗进程需要资源的时候，会通过I/O子系统取用资源的过程中，会放弃对cpu的占用，cpu就会处理别的进程，因此提高了cpu的利用率（I/O低速，cpu高速）
- qq想要知道键盘输入的结果，他就会拜托I/O子系统去取键盘输入的结果，这个时候会放弃CPU的占用，CPU会重新分配给其他应用程序。当I/O取到键盘输入的数值，会把结果返回给QQ
- 死锁中对于资源的抢占不仅仅是cpu，也有键盘、鼠标、U盘等I/O资源
- I/O低速 CPU高速
- 当QQ需要使用I/O获取数据的时候，会由先前的获得CPU状态变成等待CPU状态，这个过程是因为I/O阻塞从而主动放弃CPU。然后进入排队队列，状态为I/O中，阻塞。
- 因为不同的进程对资源的要求以及获取速度的不同，有可能获得了CPU但是状态还是阻塞中，所以会短暂的获取CPU然后立刻放弃CPU，进入排队队列。这会造成CPU的资源浪费。
- PCB存储的就是多进程状态图的状态信息
- 排队，形成一个循环队列；只有就绪状态的进程才可以获取cpu，处于阻塞状态的进程无法获取cpu
- 阻塞状态的成员获得cpu之后，因为I/O状态没有转备好数据，立刻放弃cpu。这个过程是低效的，应该按照进程的属性排成两个队列
- 队列分成两种，就绪队列（I/O完)和阻塞队列(I/O)，提高了CPU的利用率
进程的由来
- 1，如果将一个程序所依赖的所有功能弄到一个进程的话，如图所示，如果网络功能进行网络资源的访问，涉及到I/O会释放对CPU的占用，因此其余的功能，比如渲染、物理引擎计算等等也会失去CPU的占用，软件会卡死；
- 2，如果为软件的不同功能都分配一个进程，每个进程实现不同的功能，多个进程会导致时空开销大，而且存储状态信息的工具PCB有限，因此引入了线程的概念。
- 3，两个功能进程之间切换。时空开销具体体现在上下文切换，上下文切换，是指上面涉及到的就绪、阻塞、运行状态的转换，如果切换过于频繁，在挑选PCB和修改PCB的信息，时间效率会降低；cpu执行qq程序，后切换到LOL程序，在回到qq程序，这个过程会涉及到状态信息的保存，利用栈保存当前信息，因为栈需要开辟空间，因此会带来空间开销。
- 3，线程，将功能转化为线程。解决了进程上述提到的问题。进程是线程的容器，进程和线程同时存在。
- 4，进程和进程之间并发，线程和线程之间并发（同一个进程不同线程；不同进程的不同线程）
- 新事物的出现，在解决旧的矛盾的同时也会引入新的矛盾
进程和程序的区别
- 1，程序是静态的，进程是动态的。程序就是代码，但是进程会涉及到状态的转换，就绪、阻塞和运行之间的切换，这个过程是动态的
- 2，进程是程序的一次执行过程。
- 3，程序和进程不是一一对应的，即以下两点
- 一个程序对应多个进程-->多开 word程序打开不同的文档
- 一个进程对应多个程序-->UI界面进程：QQ 360 LOL
进程的特征
- 1，并行
- 2，异步
- 3，动态性：状态的转换；存储在PCB
- 4，结构性：(描述，组织) 进程 = 程序+PCB；程序：指令段（程序段）和数据段
- 5，独立性：资源分配，给每一个进程分配的空间都是隔离的
进程的结构
编译
- 编译过程中，将.c文件转化为.o文件，将内部代码转化为程序段和数据段，具体转化如下：
- a+b -> 3+2；其中a是变量名字，在编译的时候，所有的数据会汇聚在一起，所有的指令也会汇聚在一起。将数据存储到数据段，指令存储到程序段(指令段)。
链接
- 将.o文件中的所有数据段放在一起，所有的程序段放在一起。然后形成exe运行程序
- 程序运行的时候，将程序代码从磁盘拷贝到内存中， 也就是将数据段和程序段从磁盘复制到内存中，并且创建一个pcb模板，记录到内存中
PCB
- 运行软件，将程序从磁盘拷贝到内存(将其指令段和程序段拷贝到内存上)上运行的同时会创建一个PCB(档案)，PCB
- PCB是进程存在的唯一标识
- PCB存储的内容：
- 进程标识符：唯一性，进程的数字标识，数字代表程序
- 进程的当前状态：新建、就绪、堵塞、运行、结束
- 进程的优先级：VIP，用于后面的程序调度
- 代码的入口地址：程序由磁盘拷贝到内存中，入口的地址是指拷贝到内存中的起始地址，指向内存
- 代码的外存地址：标识本段代码是从磁盘哪个区域拷贝过来的，指向磁盘
- 进入内存的时间：从磁盘拷贝到内存的完成的时间
- 代码段指针：指向代码段
- 数据段指针：指向数据段
- 堆栈指针：CPU在不同进程之间切换，用于保存现场信息
进程的状态与控制
- 就绪：使用PCB里面的PID代表进程，使当前状态为ready，标识就绪；使用pcb进行排队
- PCB ：process control block，通过调整PCB内部参数的数值，控制不同的进程
- 进程状态转换图-目的：便于OS监控和调度
- *进程程序运行 需要同时具备 PCB + 内存 + CPU
- 每种状态拥有了哪些资源？
- 什么时候需要状态装换？
- 状态装换需要做什么事情？（进程的控制）
- 1，分配(申请) PCB + 内存 + CPU
- 2，回收 PCB + 内存 + CPU
- 3，修改PCB 中进程的当前状态
- 例子
- 点击QQ，CPU将代码复制到内存，并且开辟QQ_PCB，并修改当前状态为ready，由新建状态变成了就绪状态；通过pcb内部代码运行的入口地址，找到QQ程序的入口地址，cpu分配，由就绪状态变成了运行状态，改状态信息为run。cpu运行一段时间就会由一个程序跳转到另外一个程序，假设QQ占有的cpu时间到了，就会释放cpu，cpu会到360进程，因此qq从运行状态变成了就绪状态。
- QQ发消息，因为发消息需要网卡，发消息的时候会释放CPU，由由运行状态变成阻塞block状态，当得到I/o请求，将阻塞状态变成就绪状态
- 关闭qq程序或者异常退出，会使得qq进程终止，归还 内存、删除pcb，交还CPU，注意顺序问题
进程之间通信 IPC（Inter process communication）
os实现进程之间通信
- 1，为什么要通信？安全性和交互性，不同进程之间创建之后，都会在内存上分配一段内存，彼此内存空间不可见(内存隔离)，这个目的是为了提高安全性。但是如何在保证安全性的前提下实现进程之间交互，就需要进程通信
- 2，通信的例子？粘贴复制，实现word和txt之间内容拷贝；天影天堂下载电影，自动启动迅雷下载，通信的内容就是电影的链接；网站登录，第三方登录选择QQ登录
- 1，共享内存 2，消息传递 3，管道通信
- 最后一个是管道通信，因为os可以实现和不同进程之间的通信，因此不同进程可以通过连接通信管道，实现进程之间的通信
- 半双工是指每次双方只有一个人讲话，不可以同时说话
三级调度
- 中级调度，比如使命召唤，整个游戏有100G，但是内存只有8G，游戏运行的时候，会根据游戏场景变化和人物的变化，动态切换，即将磁盘数据拷贝到内存中执行，对于执行完的数据，要不丢弃，要不复制到磁盘。解决内部不够问题，以及提高了内存的利用率。
高级调度，第一次将数据从磁盘拷贝到内存
- 低级调度，程序已经到达内存，cpu一个一个来执行，抢夺cpu
进程调度算法
FCFS算法 + 调度过程 first come first service
- 算法思想：先来先服务，一次运行一个程序，只有前面的程序结束之后，才会运行下一个程序
- 调度方式：不可剥夺，非抢占（抢占cpu）。非抢占，主动放弃；抢占，是被迫放弃。按照磁盘拷贝到内存的顺序，PCB形成一个队列，按照这个队列依次执行程序。只有前面的程序释放，后面的程序才有机会得到cpu来执行。
- 调度时机：一个进程结束
- 特点 ： 利长不利短，利于需要占据cpu长的程序，不利于占用cpu短的程序
- 利CPU忙，不利I/O忙；因为排队，CPU不停歇，非常忙碌；如果io频繁，会增加大量的I/O时间
- 不利分时、实时系统;分时：cpu在不同的进程之间切换；实时，立刻调动cpu到指定的进程执行。FCFS算法不满足分时和实时系统以上的条件
- 典型案例：打印机 银行窗口
时间片轮转算法 + 调度过程
- 算法思想：分时间轮流获取CPU(按照队列的顺序)，循环队列，适用于分时操作系统，每个进程运行指定的时间片长度然后释放cpu
- 调度方式：可剥夺，抢占的方式
- 调度时机：时间片用完(抢占)；程序结束(主动，非剥夺)
- 程序的运行时间如何得到的？ 利用cpu的频率，得到一个周期的时间 （1/n = T）,然后利用计时器(计数器)不断计数，从而得到一个时间，也就是每个进程占用执行多长时间，10ms。
- 特点：1，时间片大小很讲究，不能太大，也不能太小
- 2，时间片太大，退化为FCFS
- 3，时间片太小，时空开销很大，
- 4，适用于分时系统
SJF算法 短作业优先
- 算法思想：优先选择短作业，运行时间由程序员提供
- 调度方式：非剥夺 非抢占
- 调度时机：程序结束的时候；阻塞时I/O请求
- 特点：
- 1，利短不利长（长饥饿）
- 2，不可以保证紧迫作业及时运行，（用户、程序员可能提供虚假的运行时间）
- 3，平均等待时间、平均周转时间最少
- 4，吞吐量很大
优先级调度算法 + 调度过程
- 算法思想：优先级级别高的优先执行，PCB里面会存一个信息，表明优先级信息
- 调度方式：抢占式，可剥夺式；非抢占式，非剥夺式
- 调度时机：程序结束的时候；阻塞时（I/O请求）；更高优先级进程进入队列的时候
- 特点
- 1，满足紧迫作业的要求
- 2，特别适用于实时系统中
- 3，动态优先级 静态优先级
- *优先级翻转问题
高响应比优先算法
- 算法思想：优先选择响应比高的进程作业
- 调度方式：无 主要用在调度作业中，从磁盘拷贝到内存
- 调度时机 无
- 特点：
- 1，是FCFS（利长不利短）和SJF（利短不利长）的结合体,利用响应比来结合两者，综合利用彼此之间的优势
- 2，克服了饥饿兼顾了长作业，有使得短作业先运行
- 相关概念
- 提交时间：程序从磁盘拷贝到内存，构建完成PCB
- 等待时间：当程序拷贝到内存之后，如果有其他程序正在占用CPU，那么就需要等待，
- 响应比rp = （等待时间 +运行服务时间）/ 运行服务时间
- 占用CPU时间少的进程可以有限执行
- 等待时间一定，服务时间增大，响应比越小，进程运行越靠后执行
- 等待时间一定，服务时间减少，响应比越大，进程运行越靠前执行
- 等待很长时间的进程也会有机会运行
- 服务时间一定，等待时间越大，响应比越大，进程靠前执行
- 服务时间一定，等待时间越小，响应比越小，进程靠后执行
多级反馈队列调度算法
- 算法思想：FCFS + 优先级 + 时间片轮转 （结合体 ）
- 调度方式 综合
- 调度时机 综合
- 特点
- 1，短作业优先
- 2，周转时间短
- 3，长作业也会得到处理
例子
- 假设QQ、360和LOL一次来处理，分成5个级别，只有一次CPU，在第一级CPU每次执行10分钟，当QQ转型完成之后，会在第二级排队等待，cpu会执行360 10分钟，360运行完10分钟会在第二级等待，cpu执行LOL。如果第一级没有等待程序，cpu会到第二级一次执行，第二级的时间片会比第一级的时间片长，执行方式和上面一致，直到有程序执行完退出。
甘特图
- 生产计划进度图
- 描述多个进程之间的进度关系
调度准则介绍
1，cpu利用率 ，尽可能忙碌 FCFS
- 11到13阶段 QQ和LOL都没有占用CPU，属于cpu空闲
- 空闲率 = （13 - 11）/ 30
- 使用率 = 1 - 空闲率
2，吞吐量
- 一个程序开始到结束算一个，计算单位时间内完成程序的数量。
- SJF算法:尽可能使执行时间最短的优先执行，因此吞吐量最大
3，周转时间
- 结束时间到提交时间的时间差就是周转时间
- 平均周转时间 = 所有进程的周转时间 / 进程的数量
- 带权周转时间 = 周转时间 / 服务时间(运行时间) 永远大于1
- 平均带权周转时间 = 所有进程的带权周转时间 / 进程的数量
4，等待时间
- 开始时间减去提交时间
5，服务时间(运行时间)
- 结束时间减去开始时间
调度准则之评价调度算法
同步互斥逻辑图
并发性 异步性 独立性
- 并发性：多个进程同时执行
- 异步性：cpu执行每个进程的代码行数，处理逻辑不同，不具有预测性
- 独立性：进程之间不通信
临界资源和临界区
- 临界资源：一次只能被一个进程所使用的资源
- 软件层面：共享变量
- 硬件层面：打印机 网卡 键盘
- 和平精英：两个人抢同一把枪，如何判定这把枪属于哪个人？这个枪属于临界资源，需要在前面添加信号量（交通灯），信号量开始和结束的段落是临界区，信号量使得cpu在获取临界资源前进行检查，是否可以占有
- 竞争和互斥相关
- 同步和合作相关，体现在代码执行的运行次序方面
互斥的硬件实现方法
互斥的软件实现方法
单标志法：
- 令牌环网(轮流传递的思想)，生死系于别人；对于一个变量进行操作，使用这个变量代表说话人的身份
双标志法
- 每个人有自己的标志
- 但是双方可能同时检查对方的标志，有漏洞，双方同时修改，导致bug，不会同时出现为true的情形，但是会出现同时为false的情形
- 对临界资源，竞争双方先看对方的标志位，如果对方没有对临界资源的抢占，就自己对临界资源进行抢占，并且更新标志位
- 比如A和B抢夺资源，A的标志位为flag，B的标志位为flag；flag为true表示占有资源，flag为false，表示不占有资源。A在对临界资源的抢夺之前，会看B的标志位，如果为true，表明B占有资源，A就不可以抢占资源，如果为false，则抢占资源，并修改标志位，将自己的标志位修改为true
双标志后检查法
- 基于双标志先检查法的优化，因为双方太谦让而导致的bug
- 交换了两行代码的先后顺序
- 先申明自己要抢资源，但是会导致无限等待和饥饿问题
peterson算法
- 真正实现互斥
- 引入一个变量
信号量的由来
- 信号量使cpu在进入临界区之前停下来
- 统一API，p和v操作；p是等待，v是释放的意思
信号量的工作原理
伪代码
信号量实现同步
- 初始的时候，将信号量设为0，当P0进程执行的时候，P(S)，本质上是wait(s)，s.value-1小于0，进入等待
- cpu执行P1进程，V(s)本质上是signal(s)，唤醒P0进程，实现了P1进程优先在P0进程之前执行，因此使用信号量实现了进程之间的同步操作
信号量实现互斥
- cpu先执行P0，后执行P1，不会产生互斥现象
- cpu先执行P1，后执行P0，不会产生互斥现象
- cpu先执行P0，期间执行P1，能达到互斥
- cpu先执行P1，期间执行P0，能达到互斥
同步互斥小口诀
- 画图理解题目
- 判断题目类型
- 分析进程数目 填写进程模板
- 补充基本代码(伪代码)
- 补充PV代码
- 检查调整代码
注意事项
- 代码是一步一步写出来的，代码是反复调整写出来的
- 60%是生产者和消费者模型
- 30%是读者和写者的模型
操作系统 进程 学习以及思考相关推荐
- 《王道操作系统》学习笔记总目录+思维导图
本篇文章是对<2021王道操作系统>所有知识点的笔记总结归档,虽说是2021年的,但是这些都是最核心的底层基础知识,过多少年都不会有很大的变化,核心都差不多. 我的武功秘籍:note.bi ...
- 操作系统原理学习笔记（二十一）-对换
文章首发及后续更新:https://mwhls.top/1350.html 新的更新内容请到mwhls.top查看. 无图/无目录/格式错误/更多相关请到上方的文章首发页面查看. 操作系统原理学习笔记 ...
- 操作系统——进程之处理机调度
操作系统--进程之处理机调度 一.处理机调度的本概念和层次 1.高级调度(作业调度) 2.中级调度(内存调度) 3.低级调度(进程调度) 二.进程调度的时机.切换与过程.方式 1.进程调度的时机 2. ...
- 操作系统 - 进程和内存
操作系统 - 进程和内存 操作系统内核和Shell 系统调用 进程管理 1. 进程控制块PCB 2. 进程的状态 3. 进程通信 3.1 共享存储 3.2 管道 Or 无名管道 3.3 有名管道 3. ...
- 操作系统——进程和线程的区别
操作系统--进程和线程的区别 最近学习了操作系统中的进程和线程这两个知识点,昨天老师给我们出了一道题:进程和线程的区别.听完题目后一脸懵逼,只想到了进程的一部分概念,回来之后就查书,找到了答案. 1. ...
- linux学 java_[操作系统]Linux学习第二步(Java环境安装)
[操作系统]Linux学习第二步(Java环境安装) 0 2017-05-19 00:02:21 jdk版本:jdk-8u131-linux-x64.rpm 注:以下操作在root用户或具有root权 ...
- 学术分享丨机器人学习的思考
2020-12-01 21:15:31 随着学会的队伍不断发展壮大,分支机构的发展愈发完善,丰富多彩的分支活动与学术分享也频频呈现.今年以来,CAAI认知系统与信息处理专委会积极倡导学会"疫 ...
- 焦李成院士：进化优化与深度学习的思考
来源:AI科技评论 作者:焦李成 整理:维克多 编辑:青暮 2021年12月17日,西安电子科技大学人工智能学院教授.欧洲科学院外籍院士.IEEE Fellow焦李成受邀参加2021中国计算机大会&q ...
- 程序员应知——学习、思考与分享
有人说,程序员是个苦差事,一辈子总是要不停地学习,学习新的技术,学习新的架构,学习新的工具,一旦一段时间不学习,就会发现其他人嘴里冒出来的新鲜词,自己已经搞不懂是什么了. 的确,作为程序员,学习很重要 ...
- linux 进程管理 ppt,linux操作系统-进程管理和打印管理.ppt
<linux操作系统-进程管理和打印管理.ppt>由会员分享,可在线阅读,更多相关<linux操作系统-进程管理和打印管理.ppt(25页珍藏版)>请在装配图网上搜索. 1.进 ...
最新文章
- 『假如我是面试官』RabbitMQ我会这样问！
- MPB：中科院城环所杨军组-淡水浮游细菌群落采集、过滤与保存
- Webpack安装、打包过程及开发过程超详细教程（专治看不懂学不会）
- 单元测试之JUnit 5 参数化测试使用手册
- 如何开启开源之旅（一）
- Cere Network 将于 Republic、DAO Maker 和 Polkastarter 上进行公售
- Few-shot learning和Meta-learning
- 中国行政划分代码（身份证号码前六位）
- 计算机无法进入pe系统,u盘启动盘无法进入pe解决方法
- [狗子的PM之路]PM的数据分析思路
- [MATLAB]matlab鼠标操作画两圆,做出两圆的公切线
- java开发名言_java实现收藏名言语句台词的app
- ELK环境部署（一）--基础环境配置
- 水果店开业前尝试做地推活动
- ArcGIS earth 1.0 beta体验报告——给我一个按钮我将转动整个地球
- excel 表做下拉框_Excel工作表的组合框下拉列表
- zblog 全站ajax,ZBlog全站缓存
- 复现《nature communications》图表（一）：一模一样的Figure1
- win7java浏览器崩溃_win7系统IE浏览器出现各种崩溃问题的解决方法
- Calendar的DAY_OF_MONTH, DAY_OF_YEAR, DATE的区别