计算机操作系统：进程管理技术

# 1. 计算机操作系统基础

## 1.1 操作系统概述

操作系统（Operating System，简称OS）是管理计算机硬件与软件资源的系统软件，它负责协调和控制计算机系统中各种资源的使用，为用户和其他软件提供良好的环境。操作系统的作用包括但不限于以下几个方面：

- 资源管理：操作系统负责管理计算机的各项资源，包括处理器、内存、存储设备、输入输出设备等，合理分配资源，提高计算机的利用率。
- 进程管理：操作系统负责管理计算机中的进程，保证进程按照一定的规则和顺序运行，并提供进程间的通信和同步机制。
- 文件管理：操作系统负责管理计算机中的文件，包括文件的创建、读取、写入、删除等操作，提供文件的共享和保护机制。
- 设备管理：操作系统负责管理计算机中的各种输入输出设备，包括设备的初始化、分配、释放等操作，提供统一的接口和管理机制。
- 用户接口：操作系统提供用户与计算机系统之间的交互界面，包括命令行界面、图形界面等，使用户能够方便地操作计算机。

## 1.2 进程和线程概念介绍

### 1.2.1 进程

进程（Process）是操作系统中的一个概念，它是指一个正在运行的程序的实例。每个进程都有自己的地址空间、代码、数据和资源。进程是计算机系统调度和分配资源的最小单位，它具有以下特点：

- 动态性：进程是动态创建和销毁的，程序一旦运行，就成为了一个进程，程序执行完毕后进程被销毁。
- 独立性：每个进程都有独立的地址空间，相互之间不能直接访问对方的数据。
- 并发性：多个进程可以同时运行，通过操作系统的调度算法进行切换。
- 随机性：进程的执行顺序和时间是不确定的，受到硬件和软件等因素的影响。

### 1.2.2 线程

线程（Thread）是进程中的一个执行单元，是操作系统调度和执行的基本单位。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的地址空间和资源。线程相比于进程具有以下优点：

- 轻量级：线程相比进程更轻量级，创建和销毁的开销较小，切换的速度更快。
- 共享资源：线程可以直接访问进程的共享资源，在多线程编程中可以提高资源的利用效率。
- 并发性增强：多线程可以将任务划分为多个独立的执行部分，实现并行执行，提高系统的并发性。

## 1.3 进程管理的基本原理

进程管理是操作系统的核心功能之一，主要包括进程的创建、运行和退出等操作。进程管理的基本原理如下：

1. 进程创建：当一个程序需要在系统中运行时，操作系统会为该程序创建一个进程，并为其分配资源和初始化运行环境。
2. 进程调度：操作系统根据一定的调度算法选择合适的进程运行，分配处理器资源，并控制进程的执行顺序。
3. 进程同步与通信：当多个进程需要共享资源或进行协作任务时，操作系统提供进程同步和通信机制，保证进程间的正确执行顺序和数据的一致性。
4. 进程退出：当一个进程执行完毕或出现异常时，操作系统会将其销毁，并释放相关资源。

以上是进程管理的基本原理，通过对进程的创建、调度、同步和退出等操作，操作系统实现了对计算机系统的资源管理和调度控制。接下来，我们将详细介绍进程调度算法。

# 2. 进程调度算法

#### 2.1 先来先服务调度算法

先来先服务调度算法（First Come, First Served, FCFS）是最简单的调度算法之一，它按照进程到达的先后顺序进行调度。

# Python code for First Come First Serve

# Function to find the waiting
# time for all processes
def findWaitingTime(processes, n, bt, wt):
    wt[0] = 0
    for i in range(1, n):
        wt[i] = bt[i - 1] + wt[i - 1]

# Function to calculate turn around time
def findTurnAroundTime(processes, n, bt, wt, tat):
    for i in range(n):
        tat[i] = bt[i] + wt[i]

# Function to calculate average time
def findavgTime(processes, n, bt):
    wt = [0] * n
    tat = [0] * n
    total_wt = 0
    total_tat = 0

    findWaitingTime(processes, n, bt, wt)

    findTurnAroundTime(processes, n, bt, wt, tat)

    print("Processes   Burst Time   Waiting Time   Turn-Around Time")

    for i in range(n):
        total_wt = total_wt + wt[i]
        total_tat = total_tat + tat[i]
        print(" ", i + 1, "\t\t", bt[i], "\t\t", wt[i], "\t\t", tat[i])

    print("\nAverage waiting time = %.5f "%(total_wt /n))
    print("Average turn around time = ", total_tat / n)

# Driver code
if __name__ =="__main__":
    # Process id's
    processes = [1, 2, 3, 4, 5]
    n = len(processes)

    # Burst time of all processes
    burst_time = [10, 5, 8, 7, 3]

    findavgTime(processes, n, burst_time)

**代码说明：** 上述代码是使用 Python 实现的先来先服务调度算法的示例。通过计算各个进程的等待时间和周转时间来展示先来先服务调度算法的原理。

**代码总结：** 该算法简单易懂，但可能会导致长作业等待时间过长。

**结果说明：** 运行以上代码，将会得到各个进程的等待时间和周转时间，以及平均等待时间和平均周转时间的计算结果。

#### 2.2 最短作业优先调度算法

最短作业优先调度算法（Shortest Job First, SJF）是一种非抢占式调度算法，它选择要执行的下一个任务时，会选择预期运行时间最短的任务。

import java.util.*;

class SJF {
    static void findWaitingTime(int processes[], int n, int bt[], int wt[]) {
        int rt[] = new int[n];

        for (int i = 0; i < n; i++)
            rt[i] = bt[i];

        int complete = 0, t = 0, minm = Integer.MAX_VALUE;
        int shortest = 0, finish_time;
        boolean check = false;

        while (complete != n) {