- 分享2：进程管理与调度器
1. 提纲
- 进程的创建、调度和终止
- 内核调度器的工作原理与算法
- 进程间通信的机制
2. 摘要
在操作系统中，进程是计算机资源的管理和任务调度的基本单位。理解进程的创建、调度、终止过程以及内核调度器的工作原理和进程间通信的机制，对于深入理解操作系统的运行至关重要。本报告将详细介绍进程的生命周期、调度机制以及如何实现进程间的通信，同时提供多个实验案例，帮助加深理解。
3. 进程的创建、调度和终止
3.1 进程的创建
进程是操作系统进行资源管理的基本单位。进程创建通常由系统调用 fork() 完成，或者是由操作系统的调度程序为一个新的任务分配资源。进程的创建过程通常包括以下步骤：
- 分配进程控制块 (PCB)：包含进程的基本信息（如进程ID、状态、程序计数器等）。
- 为进程分配内存空间：加载程序代码和相关数据。
- 设置文件描述符：进程使用的文件、设备等资源。
3.2 进程的调度
操作系统通过调度程序决定哪个进程占用 CPU，通常有以下几种调度策略：
- 先来先服务（FCFS）：按照进程到达的顺序进行调度。
- 短作业优先（SJF）：优先执行预计执行时间最短的进程。
- 时间片轮转（RR）：为每个进程分配一个固定的时间片，时间片用完后切换到下一个进程。
- 优先级调度（Priority Scheduling）：根据进程优先级来调度，优先级高的进程先执行。
3.3 进程的终止
进程终止通常由以下几种情况引起：
- 正常终止：进程执行完毕或退出。
- 错误终止：由于某种错误或异常情况，进程被强制终止。
- 父进程终止：父进程终止时，其子进程也会被终止。
进程终止后，操作系统会回收其占用的资源，并将其从就绪队列中移除。
4. 内核调度器的工作原理与算法
内核调度器的主要任务是选择合适的进程执行。在多核系统和多任务系统中，调度器是保证系统公平和效率的重要部分。内核调度器的工作原理如下：
- 就绪队列：内核维护一个就绪队列，存放所有准备执行的进程。每当一个进程处于就绪状态时，它就会被加入该队列。
- 调度决策：内核根据调度算法选择一个进程从就绪队列中调度执行。
- 时间片管理：对于时间片轮转调度算法，内核会为每个进程分配一定的时间片。当时间片耗尽时，进程会被挂起并调度下一个进程。
- 上下文切换：当进程被暂停时，内核会保存当前进程的状态，并加载下一个进程的状态。
常见的调度算法包括：
- 先来先服务（FCFS）
- 短作业优先（SJF）
- 时间片轮转（RR）
- 优先级调度（Priority Scheduling）
- 多级反馈队列（MLFQ）
5. 进程间通信的机制
进程间通信（IPC）是操作系统提供的一组机制，用于不同进程之间交换数据。常见的进程间通信方式包括：
5.1 管道（Pipe）
管道是一种单向通信机制，用于父子进程或同一进程组中的进程间的通信。
# 使用管道示例
$ echo "Hello, World!" | grep "World"5.2 消息队列（Message Queue）
消息队列是一种先进先出的通信机制，可以用于不同进程之间的消息传递。
5.3 共享内存（Shared Memory）
共享内存允许多个进程直接访问相同的内存区域，通常效率较高，但需要进程间协调访问。
5.4 信号量（Semaphore）
信号量主要用于进程之间的同步，避免多个进程同时访问共享资源引发冲突。
6. 实验案例
实验 1：使用 fork() 创建进程
目标：
通过 fork() 创建一个新进程，并了解父子进程之间的关系。
操作步骤：
- 编写一个 C 程序，通过
fork()创建一个子进程。 - 使用
getpid()和getppid()显示父进程和子进程的进程 ID。
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main() {
pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {
// 子进程
printf("Child Process: PID = %d, Parent PID = %d\n", getpid(), getppid());
} else if (pid > 0) {
// 父进程
printf("Parent Process: PID = %d, Child PID = %d\n", getpid(), pid);
} else {
// fork 错误
perror("fork failed");
}
return 0;
}实验总结：
fork()系统调用用于创建子进程，返回值区分父子进程。- 父进程返回子进程的 PID，子进程返回 0。
实验 2：实现时间片轮转调度算法（模拟）
目标：
模拟时间片轮转调度算法，通过程序展示进程调度。
操作步骤：
- 使用 Python 编写一个简单的进程调度模拟程序。
- 模拟多个进程，每个进程按时间片轮转执行。
示例代码：
import time
from collections import deque
# 模拟进程类
class Process:
def __init__(self, pid, name, burst_time):
self.pid = pid
self.name = name
self.burst_time = burst_time
self.remaining_time = burst_time
# 时间片轮转调度器
def round_robin(processes, time_slice):
queue = deque(processes)
while queue:
process = queue.popleft()
if process.remaining_time > time_slice:
process.remaining_time -= time_slice
queue.append(process)
print(f"Process {process.name} (PID {process.pid}) is running for {time_slice}ms, remaining time {process.remaining_time}ms")
else:
print(f"Process {process.name} (PID {process.pid}) is completed")
process.remaining_time = 0
# 创建进程
processes = [
Process(1, "P1", 10),
Process(2, "P2", 5),
Process(3, "P3", 7)
]
# 调用调度器
round_robin(processes, 3)实验总结：
- 时间片轮转算法确保每个进程都能公平地占用 CPU，直到所有进程完成。
- 使用队列来管理待执行的进程。
实验 3：进程间通信（共享内存）
目标：
使用共享内存实现进程间通信。
操作步骤：
- 编写一个生产者进程将数据写入共享内存。
- 编写一个消费者进程从共享内存读取数据。
示例代码：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#define SHM_SIZE 1024
int main() {
key_t key = ftok("shmfile", 65); // 创建唯一的键值
int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT); // 创建共享内存
char *str = (char*) shmat(shmid, (void*)0, 0); // 将共享内存映射到进程空间
printf("Write Data: ");
fgets(str, SHM_SIZE, stdin); // 将数据写入共享内存
printf("Data written: %s\n", str);
shmdt(str); // 分离共享内存
return 0;
}实验总结：
- 使用共享内存可以有效地进行进程间通信，但需要注意同步和资源管理。
- 通过
shmget()创建共享内存，通过shmat()映射到进程地址空间。
