操作系统原理入门系列一：进程管理与调度算法

# 1. 操作系统基础概念概述
## 1.1 操作系统简介
操作系统（Operating System，简称OS）是计算机系统中最基本的系统软件，它是计算机硬件系统与应用软件之间的接口，负责管理和控制计算机的资源和各种设备，为用户和应用程序提供操作界面和服务。

操作系统的功能包括：进程管理、内存管理、文件系统管理、设备管理、用户接口、安全性和保护等。

## 1.2 进程与线程的概念
进程是程序执行时的实例，也是程序的执行过程。每个进程拥有自己的地址空间和系统资源，是操作系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运作单位。

## 1.3 进程管理的重要性
进程管理是操作系统的核心功能之一，它负责管理和调度系统中的各个进程，确保它们能够按照预期的方式运行并共享系统资源，同时提高系统的并发性和响应速度。进程管理的好坏直接影响着系统的稳定性、安全性和性能。

接下来，我们将深入探讨进程控制块与进程状态转换。

# 2. 进程控制块与进程状态转换

2.1 进程控制块的结构与作用

进程控制块（Process Control Block, PCB）是操作系统中用于描述和管理一个进程的重要数据结构，它包含了进程的状态信息、程序计数器、CPU寄存器、CPU调度信息、内存管理信息、进程间通信信息等。

**PCB的主要作用：**
- 存储进程的状态信息，包括运行态、就绪态、阻塞态等；
- 记录进程的标识和属性，如进程ID、优先级、拥有者等；
- 存储进程的上下文，当进程被中断或切换时，将上下文信息保存到PCB中；
- 提供进程调度和管理所需的各种信息。

2.2 进程的状态转换图

进程的状态转换图是描述进程在其生命周期中各种状态之间的转换关系的图形化表示。

在典型的状态转换图中，通常包括以下几种状态：
- 新建（New）：进程正在被创建；
- 运行（Running）：进程正在执行；
- 就绪（Ready）：进程已经准备好运行，只等待分配CPU时间片；
- 阻塞（Blocked）：进程由于等待某个事件而暂停执行；
- 终止（Terminated）：进程执行完成或被终止。

2.3 进程状态转换的详细过程

进程在其生命周期中，会经历多个状态之间的转换过程，这些过程是操作系统进行进程管理和调度的基础。以下是进程的一般状态转换过程：

1. 新建（New）：进程正在被创建，初始化进程控制块和其他必要资源。
2. 就绪（Ready）：进程已经准备好运行，等待系统分配CPU时间片。
3. 运行（Running）：进程获得CPU时间片，正在执行。
4. 阻塞（Blocked）：进程由于等待某个事件而暂停执行，如等待I/O完成或信号到达。
5. 终止（Terminated）：进程执行完成或被终止，释放占用的资源。

以上过程中，进程状态的转换由操作系统进行管理和调度，以保证进程能够正确、高效地运行。

# 3. 进程调度算法

#### 3.1 进程调度的概念与作用
进程调度是操作系统中的重要组成部分，它负责决定系统中多个进程之间的执行顺序，以实现多道程序设计。通过合理的进程调度算法，可以提高系统的整体性能和资源利用率。

#### 3.2 先来先服务调度算法
先来先服务调度算法（First Come First Served，FCFS）是一种简单的调度算法，按照进程到达的先后顺序进行调度，即先到先服务。当一个进程到达后，即使CPU空闲，也要等待当前正在执行的进程执行完毕才能运行。这种算法具有公平性，但可能导致平均等待时间较长。

def fcfs_scheduling(processes):
    processes.sort(key=lambda x: x.arrival_time)
    current_time = 0
    total_waiting_time = 0

    for process in processes:
        if current_time < process.arrival_time:
            current_time = process.arrival_time
        total_waiting_time += current_time - process.arrival_time
        current_time += process.burst_time

    average_waiting_time = total_waiting_time / len(processes)
    return average_waiting_time

**代码总结**：FCFS调度算法简单易实现，但可能导致"先来的进程等待时间过长"的问题。

**结果说明**：通过计算平均等待时间可以评估FCFS调度算法的效率。

#### 3.3 短作业优先调度算法
短作业优先调度算法（Shortest Job First，SJF）是一种非抢占式调度算法，根据进程的执行时间长度进行调度，即先执行估计运行时间最短的进程。SJF可以减少平均等待时间，提高系统吞吐量。

import java.util.*;

public class SJFScheduling {
    public float sjfScheduling(List<Process> processes) {
        processes.sort(Comparator.comparingInt(Process::getBurstTime));

        int currentTime = 0;
        int totalWaitingTime = 0;

        for (Process process : processes) {
            if (currentTime < process.getArrivalTime()) {
                currentTime = process.getArrivalTime();
            }
            totalWaitingTime += currentTime - process.getArrivalTime();
            currentTime += process.getBurstTime();
        }

        return (float) totalWaitingTime / processes.size();
    }
}

**代码总结**：SJF调度算法可有效缩短平均等待时间，但容易出现饥饿现象，即长作业可能一直无法执行。

**结果说明**：通过计算平均等待时间可以评估SJF调度算法的效率。

# 4. 进程同步与通信

#### 4.1 进程同步的概念与需求
进程同步是指多个进程按照一定的规则来共享系统资源，以便有效地进行合作运行。在多道程序环境下，进程之间的执行是异步的，因此需要进行同步操