本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

第二章进程管理

前言

参考书籍《计算机操作系统》汤小丹、《2022年操作系统考研复习资料》王道。(个人认为王道的书整体顺序安排更合理，更好用)
B站王道计算机考研操作系统视频课
原本是小张期末考试整理的王道笔记，后来复习过程中使用笔记可以快速的根据目录或者文字检索去查找某个概念、知识点。所以分享给大家，需要文本文件的可以留言评论。
思维导图和文字内容是手敲的，所以可能有一些错别字，评论我会修改。
如果只是为了期末考试可以看我的这篇操作系统期末考试总结_鬼才小张同学的博客-CSDN博客

2.1.1进程的定义、组成、组织方式

思维导图

本节内容

进程的概念

进程的组成

进程(进程实体)由程序段、数据段、PCB三部分组成。

进程的组织

在一个系统中，通常有数十、数百乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应当用适当的方式把这些PCB组织起来。注：进程的组成讨论的是一个进程内部由哪些部分构成的问题，而进程组织讨论的是多个进程之间的组织方式问题。

链接方式

索引方式

在这里插入图片描述

进程的特征

进程和程序是两个截然不同的概念，相比于程序，进程拥有以下特征：

动态性(最基本特征)：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡地。
并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。
独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度地基本单位
异步性：各进程按各自独立的、不可预知地速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题,可能导致运行结果地不确定性。
结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。

2.1.2进程的状态与转换

思维导图

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本节内容

进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时需要等待CPU服务，可见，进程的状态是会有各种变化。为了方便对各个进程的管理，操作系统需要将进程合理地划分为几种状态。

三种基本状态

运行态：占有CPU，并在CPU上运行就绪态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行。阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行。 ==注意==单核处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行态。双核环境下可以同时有两个进程处于运行态。

在这里插入图片描述

另外另种状态

创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB。在这里插入图片描述

终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统回收进程拥有的资源、撤销PCB。在这里插入图片描述

进程的状态转换 在这里插入图片描述

2.1.3进程控制

思维导图

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本节内容

什么是进程控制？ 进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。简单理解：进程控制就是要实现进程状态转换。在这里插入图片描述

如何实现进程控制 动画讲解1:13-5:00

[video(video-CgvDz64p-1642128380875)(type-bilibili)(url-player.bilibili.com/player.html… 操作系统)]

用==原语==实现进程控制。原语的==特点==是执行期间==不允许中断==，只能一气呵成。这种不可被中断的操作即==原子操作==。原语采用“==关中断==”和==开中断==指令实现。在这里插入图片描述

==关/开中断指令==的权限非常大，必然是只允许在==核心态==下执行的==特权指令==。

进程控制相关的原语

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各原语可以实现怎样状态转换，各原语大概做了哪些事(理解了在选择题分析出答案即可，不用背)

2.1.4进程通信

思维导图

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本节内容

什么是进程通信 进程通信就是指进程之间的信息交换。进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间)，因此==各进程==拥有的==内存地址空间相互独立==。为了保证安全，==一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间==。但是进程之间的信息交换又是必须实现的。为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了一些方法。在这里插入图片描述

共享存储

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管道通信

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消息传递

进程间的数据交换以==格式化的消息==为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接受消息”两个==原语==进行数据交换。动画讲解9:00-11:00

[video(video-2T007IKv-1642128455876)(type-bilibili)(url-player.bilibili.com/player.html… 操作系统)]

2.1.5线程概念和多线程模型

思维导图

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本节内容

什么是线程？为什么要引入线程？ 还没引入进程之前，系统中各程序只能串行执行。在这里插入图片描述

可以把线程理解为"轻量级进程"。==线程==是一个==基本的CPU执行单元==，也是==程序执行流的最小单位==。引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以==并发==，从而进一步提升了==系统的并发度==，使得一个进程内也可以并发处理各种任务(如QQ视频、文字聊天、传文件)。

引入线程后，==进程==只作为==除CPU之外的系统资源分配单元==(如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的)。在这里插入图片描述 引入线程机制后，有什么变化？

在这里插入图片描述

线程的属性

在这里插入图片描述

线程的实现方式

用户级线程在这里插入图片描述

内核级线程在这里插入图片描述

二者组合

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多线程模型

在同时支持用户级线程和内核级线程的系统中，由几个用户级线程映射到几个内核级线程的问题引出了“多线程模型”问题。

多对一

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一对一模型

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多对多，集二者之所长

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2.2.1处理机调度的概念、层次

思维导图

本节内容

调度的基本概念

调度的三个层次-高级调度

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中级调度

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补充知识：进程的挂起状态与七状态模型

暂时调到外存等待的进程状态为==挂起状态(挂起态)==。挂起态又可以进一步细分为==就绪挂起、阻塞挂起==两种状态。在这里插入图片描述

低级调度

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三层调度的联系、对比

2.2.2进程调度的时机、切换与过程

思维导图

本节内容

进程调度的时机

==进程调度==(低级调度)，就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

进程调度的方式

进程与进程切换过程

2.2.3调度算法的评价指标

思维导图

本节内容

CPU利用率

CPU“忙碌”的时间占总时间的比例 ==利用率=== $\frac{忙碌时间}{总时间}$

系统吞吐量

对于计算机来说，希望能用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业。单位时间内完成作业的数量

系统吞吐量= $\frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间}$

eg：某计算机系统处理完10道作业，共花费100s，则系统吞吐量为？

10/100=0.1 道/s

周转时间

对于计算机的用户来说，他很关心自己作业从提交到完成花了多少时间。周转时间指从==作业被提交给系统开始==，到==作业完成为止==的这段时间间隔。

它包括四部分：作业在外存后备队列上等待作业调度(高级调度)时间、进程在就绪队列上等待进程调度(低级调度)的时间、进程在CPU上执行的时间、进程等待I/O操作完成的时间。后三项在一个作业的整个处理过程中，可能多次发生。

(作业)==周转时间===作业完成时间-作业提交时间

==平均周转时间=== $\frac{各作业周转时间之和}{作业数}$

==带权周转时间=== $\frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}$ = $\frac{作业完成时间-作业提交时间}{作业实际运行时间}$

==平均带权周转时间=== $\frac{各作业带权周转时间之和}{作业数}$

等待时间

计算机的用户希望自己的作业尽可能少的等待处理机。等待时间指进程/作业==处于等待处理机状态时间之和==，等待时间越长，用户满意度越低。在这里插入图片描述

响应时间

对于计算机用户来说，会希望自己的提交请求(比如通过键盘输入了一个调试命令)尽早地开始被系统服务、回应。响应时间指从用户==提出请求==到==首次产生响应==所用的时间。

2.2.4FCFS、SJF、HRRN调度算法

思维导图

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本节内容

各种调度算法的学习思路

算法思想
算法规则
这种调度算法是用于作业调度还是进程调度
抢占式？非抢占式
优点和缺点
是否会导致==饥饿==

先来先服务

按照到达的先后顺序调度，事实上就是等待时间越久的越优先得到服务。

eg：

进程	到达时间	运行时间	完成时间	等待时间	平均等待时间	周转时间	平均周转时间	带权周转时间	平均带权周转时间
P1	0	7	7	0	4.75	7	8.75	1	3.25
P2	2	4	11	5		9		2.25
P3	4	1	12	7		8		8
P4	5	4	16	7		11		2.75

==注意I/O操作==

优点：公平、算法实现简单

缺点：排在长作业(进程)后面的短作业需要等待很长时间，带权周转时间很大，对短作业来说用户体验不好。即，FCFS算法==对长作业有利，对短作业不利==。

不会造成饥饿

短作业优先

最短的作业/进程优先得到服务(所谓“最短”，是指要求服务时间最短)。

eg：非抢占式的短作业优先算法 P1→P3→P2→P4

进程	到达时间	运行时间	完成时间	等待时间	平均等待时间	周转时间	平均周转时间	带权周转时间	平均带权周转时间
P1	0	7	7	0	4	7	8	1	2.5625
P2	2	4	12	6		10		2.5
P3	4	1	8	3		4		4
P4	5	4	16	7		11		2.75

在这里插入图片描述

抢占式的短作业优先算法 P1(5)→P2(2)→P3(0)→P2(0)→P4(0)→P1(0)

在这里插入图片描述

==注意==

如果题目中==未特别说明==，所提到的"短作业/进程优先算法"==默认==是==非抢占式==
很多书上都会说“SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”。严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少。应该加上一个条件==“在所有进程同时可运行==时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”，或者说“在==所有进程都几乎同时到达==时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”。如果不加上述前提条件，则应该说“==抢占式的==短作业/进程优先调度算法（==最短剩余时间优先,SRNT==算法）的平均等待时间、平均周转时间最少”
虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但相比于其他算法(如FCFS) ,SJF依然可以获得较少的平均等待间、平均周转时间。
如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是不是有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那也应该选择该选项。

优点："最短的"平均等待时间、平均周转时间

缺点：不公平。==对短作业有利，对长作业不利。==可能产生==饥饿现象==。另外，作业/进程的运行时间是由用户提供的，并不一定真实，不一定能做到真正的短作业优先。

会导致饥饿。如果源源不断地有短作业/进程到来，可能使长作业/进程长时间得不到服务，产生=="饥饿"==现象。如果一直得不到服务，则成为=="饿死"==。

最高相应比优先

在每次调度时先计算各个作业/进程的==响应比==，选择==响应比最高==的作业/进程为其服务。

$\textcolor{red}{响应比}=\frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间}$

eg：

综合考虑了等待时间和运行时间(要求服务时间) 等待时间同时时，要求服务时间短的优先(SJF的优点) 要求服务时间相同时，等待时间长的优先(FCFS的优点) 对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比也会越来越大，从而避免了长作业饥饿的问题不会导致饥饿

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总结

2.2.5时间轮转法、优先级、多级反馈队列

思维导图

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本节内容

时间轮转法

按照各个进程到达就绪队列地顺序，轮流让各个进程执行一个时间片(eg：100ms)。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放入就绪队列队尾重新排队。

eg：时间片大小为2

在这里插入图片描述

时间片大小为5

时间片太大或太小有什么影响？

如果==时间片==太大，使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法==退化为先来先服务==调度算法，并且会==增大进程响应时间==，因此==时间片不能太大==。另一方面，进程调度、切换是有时间代价的(保存、恢复运行环境)，因此如果==时间片太小==，会导致==进程切换过于频繁==，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。可见==时间片也不能太小==。

eg：

优先级

每个作业/进程有各自的优先级，调度时选择优先级最高的作业/进程。

eg：非抢占式

抢占式

补充知识

在这里插入图片描述

优点：用于优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时操作系统。可灵活的调整对各种作业/进程的偏好程度。缺点：若源源不断地有高优先级进程到来，则可能导致饥饿。

会导致饥饿。

多级反馈队列

设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。
新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾。
只有第K级队列为空时，才会为K+1级队头的进程分配时间片。

eg：动画讲解30:00-35:00

[video(video-QMIGPd85-1642128678702)(type-bilibili)(url-player.bilibili.com/player.html… 操作系统)]

优缺点：对各类型进程相对公平(FCFS优点)；每个新到达的进程都可以很快就得到响应(RR的优点)；短进程只用较少的时间就可完成(SPF的优点)；不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假)；可灵活地调整对各类进程地偏好程度，比如CPU密集型进程、I/O密集型进程(扩展：可以将因I/O而阻塞地进程重新放回到原队列，这样I/O型进程就可以保持较高优先级)。