操作系统(2) - 进程管理

操作系统的进程管理是操作系统的核心功能之一，负责创建、调度、同步、通信和终止进程。进程管理的目标是确保系统资源的有效利用，提高系统的性能和可靠性。以下是操作系统进程管理的主要概念和技术的详细说明。

1. 进程的基本概念

• 进程：进程是程序的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的基本单位。一个进程包含程序代码、数据、堆栈和执行上下文等。
• 进程状态：进程在生命周期中会经历不同的状态，主要包括：
  • 就绪态（Ready）：进程已经准备好，等待 CPU 资源。
  • 运行态（Running）：进程正在 CPU 上执行。
  • 阻塞态（Blocked）：进程因等待 I/O 操作完成或其他事件而暂停执行。
  • 终止态（Terminated）：进程已经完成或被终止。

2. 进程控制块（PCB）

进程控制块（Process Control Block, PCB）是操作系统用来管理和控制进程的数据结构，包含以下信息：

• 进程标识符（PID）：唯一标识进程的编号。
• 处理器状态：包括程序计数器（PC）、寄存器内容等。
• 内存管理信息：包括内存分配情况、页表等。
• I/O 状态信息：包括打开的文件、I/O 设备状态等。
• 会计信息：包括进程的优先级、运行时间等。
• 状态信息：包括进程的当前状态（就绪、运行、阻塞、终止）。

3. 进程创建

• 创建新进程：操作系统通过 fork() 或 CreateProcess() 等系统调用创建新进程。
• 父子关系：创建新进程的进程称为父进程，新创建的进程称为子进程。
• 资源继承：子进程可以继承父进程的资源，如打开的文件、信号处理函数等。

4. 进程调度

• 调度算法：操作系统使用不同的调度算法来决定下一个执行的进程。常见的调度算法包括：
  • 先来先服务（FCFS）：按进程到达的顺序调度。
  • 短作业优先（SJF）：优先调度预计运行时间最短的进程。
  • 优先级调度：根据进程的优先级进行调度。
  • 时间片轮转（RR）：每个进程按固定的时间片轮流执行。
  • 多级反馈队列：结合多种调度策略，根据进程的行为动态调整优先级。

5. 进程同步

• 临界区：一段代码区域，同一时刻只允许一个进程执行。
• 互斥锁（Mutex）：用于实现互斥访问的机制。
• 信号量（Semaphore）：用于控制对共享资源的访问，包括二进制信号量和计数信号量。
• 条件变量：用于进程间的条件同步。

6. 进程通信

• 共享内存：允许多个进程共享同一块内存区域，提高数据传输效率。
• 消息传递：进程间通过发送和接收消息进行通信，包括管道（Pipe）、消息队列等。
• 信号（Signal）：用于进程间的异步通信，发送信号可以中断进程的正常执行。
• 套接字（Socket）：用于网络进程间的通信。

7. 进程终止

• 正常终止：进程完成任务后正常退出。
• 异常终止：进程因错误或外部干预而被终止。
• 僵尸进程：进程已经终止，但其父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 获取其退出状态。
• 孤儿进程：父进程终止后，子进程成为孤儿进程，由 init 进程（PID 为 1）接管。