操作系统进程管理：概念、控制与调度

"操作系统课程资料，重点讲解进程管理和操作系统核心概念，由徐宗元主编的PPT第二章内容。" 操作系统中的进程管理是系统的核心部分，它涉及到进程的创建、控制、同步、通信以及调度等多个方面。以下是相关知识点的详细说明： ### 2.1 进程的引入和描述 **2.1.1 为什么引入进程** 在单道程序设计中，计算机一次只能执行一个任务。为了提高资源利用率和用户响应时间，引入了多道程序设计技术，使得多个程序可以并发执行。然而，这种并发执行带来了结果不可再现性和资源竞争的问题，因此引入了进程这一概念。 **2.1.2 进程的描述** 进程是操作系统中代表程序执行的一个实例，包括程序代码、数据、堆栈和进程控制块（PCB）等组成部分。它具有独立性和并发性，每个进程都有自己的内存空间和执行状态。 **2.1.3 进程控制模块（PCB）** 进程控制块（Process Control Block）是操作系统用来记录和控制进程状态的关键数据结构，包含进程ID、当前状态、内存信息、CPU寄存器值等重要信息。 **2.1.4 进程上下文** 进程上下文是指进程执行时的全部信息，包括程序计数器、CPU寄存器、堆栈以及进程的其他状态信息，用于在进程切换时保存和恢复这些信息。 ### 2.2 进程控制 **2.2.1 内核** 操作系统内核是系统的核心，负责管理硬件资源和提供系统服务，包括进程管理、内存管理、设备管理和文件系统等。内核通过中断处理和系统调用来实现对进程的控制。 **2.2.2 进程状态的细化** 进程通常有就绪、运行、阻塞三种基本状态，根据具体操作可以细化为更多状态，如新建、终止、等待I/O等。状态间的转换遵循一定的规则，如进程请求资源后进入阻塞状态，资源可用时则变为就绪状态。 **2.2.3 进程控制原语** 进程控制原语是原子操作，用于实现进程状态的改变，如创建、删除、挂起、激活和唤醒等。这些原语是操作系统实现并发控制的基础。 **2.2.4 线程概念** 线程是进程内的执行单元，共享进程的资源，但拥有独立的程序计数器、堆栈和局部变量。引入线程可以减少进程间的上下文切换开销，提高系统效率。 **2.2.5 Linux进程控制原语和Windows进程、线程控制API函数** Linux和Windows操作系统提供了不同的API函数来控制进程和线程，如Linux中的`fork()`、`exec()`、`waitpid()`，Windows中的`CreateProcess()`、`CreateThread()`、`WaitForSingleObject()`等。 ### 2.3 进程同步与通信 这部分讲解了如何处理进程间的制约关系，包括临界资源、临界区的概念，以及如何利用硬件支持（如信号量）和软件机制（如P、V操作）实现进程的互斥与同步。还介绍了高级通信机制，如共享存储器、消息传递和管道通信。 ### 2.4 进程调度 进程调度是决定哪个进程获取CPU执行权的过程。本节涵盖了作业调度和进程调度的概念，调度方式（非抢占式、抢占式）、调度算法（如FCFS、SJF、优先级调度等）以及死锁预防和避免策略，如银行家算法。 ### 操作系统结构 最后，简要介绍了操作系统的设计结构，包括模块接口法、层次结构法和客户/服务器结构，以及Windows2000这样的现代操作系统框架。 通过以上知识点的学习，可以深入理解操作系统如何有效地管理和控制进程，从而实现系统的高效运行。