Linux中的进程管理与调度机制详解

# 1. 进程管理基础

## 1.1 进程的概念与特点

在计算机中，进程是指程序在执行过程中的一个实例。每个进程都拥有自己的内存空间、堆栈和上下文信息，并且可以独立运行和调度。进程是计算机系统中最基本的单位之一，它能够并发执行，并且相互之间是独立的。

进程具有以下特点：
- **独立性**：每个进程都有自己的执行空间，它们之间不会相互干扰或影响。
- **并发性**：多个进程可以同时执行，通过进程调度机制来控制进程的执行顺序。
- **动态性**：进程的创建和终止是动态的过程，可以根据需求动态地创建和销毁进程。
- **随机性**：在多任务操作系统中，进程的执行顺序是由调度器决定的，具有一定的随机性。

## 1.2 进程的创建与终止

### 进程的创建
操作系统提供了多种方式来创建进程，包括：
- fork()系统调用：通过复制父进程创建子进程。
- exec()系列系统调用：用于在当前进程空间中加载并执行新程序。
- clone()系统调用：可以选择性地共享进程资源，包括内存空间、文件描述符等。

在创建进程时，操作系统会为新进程分配独立的进程控制块（PCB），并初始化其上下文信息，包括程序计数器、寄存器等。

### 进程的终止
进程可以通过以下方式终止：
- 正常终止：进程执行完毕，或者调用exit()系统调用主动终止。
- 异常终止：进程遇到错误或异常情况导致中断退出。
- 被其他进程终止：操作系统或父进程可以向目标进程发送终止信号，迫使其终止执行。

在进程终止时，操作系统会回收其所占用的资源，并将进程控制块标记为可用状态。

## 1.3 进程的状态及转换

进程在执行过程中会经历不同的状态，常见的进程状态包括：

- **就绪态**（Ready）：表示进程已经准备好运行，但由于当前没有空闲的CPU资源，暂时无法执行。
- **运行态**（Running）：表示进程正在CPU上执行指令。
- **阻塞态**（Blocked）：表示进程由于等待某些事件（如IO操作）而暂时无法继续执行，处于等待状态。
- **挂起态**（Suspended）：表示进程因某些原因被暂停执行，并且保存其状态信息。可以通过恢复操作重新激活进程。
- **终止态**（Terminated）：表示进程已经执行完毕或被终止，不再占用CPU资源。

进程状态之间可以通过如下转换：
- 就绪态 -> 运行态：当进程获得CPU资源后，进入运行态开始执行。
- 运行态 -> 就绪态：当进程执行时间片用完或被抢占（如有更高优先级的进程就绪）时，进入就绪态等待下一次调度。
- 运行态 -> 阻塞态：当进程需要等待某个事件发生时（如读取磁盘数据），进入阻塞态。
- 阻塞态 -> 就绪态：当等待的事件发生后，进程进入就绪态等待下一次调度。
- 运行态 -> 终止态：当进程执行完毕或被其他进程终止时，进入终止态。

这些状态及其转换是进程调度和管理的基础。在下一章节中，我们将详细介绍进程调度算法的原理和常用方法。

# 2. 进程调度算法

### 2.1 进程调度的基本原理

在操作系统中，进程调度是指决定哪一个进程获得CPU的使用权，以及何时分配给它。进程调度的基本原理是公平性和效率性。
- 公平性要求所有进程能够公平地获得CPU的使用权，避免出现某个进程长时间占用CPU而导致其他进程无法运行的情况。
- 效率性则需要在保证公平性的基础上，尽可能地提高系统的整体运行效率，使得CPU能够充分利用起来。

### 2.2 Linux中常用的进程调度算法

Linux操作系统中常用的进程调度算法有三种：先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）和时间片轮转法（RR）。

#### 2.2.1 先来先服务（FCFS）

先来先服务是最简单的进程调度算法，按照进程到达的顺序依次分配CPU时间片。当一个进程占用CPU时间片后，直到完成或者阻塞才会释放CPU。

代码示例：
def FCFS_scheduling(process_queue):
    execution_time = []
    waiting_time = []
    avg_waiting_time = 0
    waiting_time.append(0) # 第一个进程的等待时间为0
    for i in range(1, len(process_queue)):
        waiting_time.append(process_queue[i-1][1] + waiting_time[i-1])
        avg_waiting_time += waiting_time[i]
        execution_time.append(waiting_time[i] + process_queue[i][1])
    avg_waiting_time /= len(process_queue)
    return execution_time, waiting_time, avg_waiting_time

#### 2.2.2 最短作业优先（SJF）

最短作业优先调度算法通过预测短期的CPU密集型作业，将短作业优先分配给CPU，以减少平均等待时间。

代码示例：
public static float SJF_scheduling(int[] burst_time) {
    int n = burst_time.length;
    int[] waiting_time = new int[n];
    int[] turnaround_time = new int[n];
    float total_waiting_time = 0;
    float avg_waiting_time = 0;
    waiting_time[0] = 0; // 第一个进程的等待时间为0
    for (int i = 1; i < n; i++) {
        waiting_time[i] = burst_time[i-1] + waiting_time[i-1];
        total_waiting_time += waiting_time[i];
        turnaround_time[i]