《多道系统环境下操作系统资源分配的基本单位:进程》
在多道程序并发执行的操作系统环境中,操作系统分配资源是以进程为基本单位的,这一特性是现代操作系统高效运行的关键因素之一,极大地提高了资源利用率。
一、多道程序并发执行技术简介
多道程序并发执行技术是指在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序,使它们在管理程序控制之下,相互穿插地运行,与单道程序系统相比,这种技术具有显著的优势。
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在单道程序系统中,内存中仅有一道程序在运行,当该程序进行I/O操作时,CPU处于空闲等待状态,整个系统资源的利用率极低,一个计算密集型的程序在执行过程中偶尔需要从磁盘读取数据,在读取数据的这段时间内,CPU只能等待I/O操作完成,不能进行其他有意义的计算任务。
而多道程序并发执行技术则能很好地解决这个问题,多道程序可以同时在内存中,当一道程序因I/O操作而暂停执行时,操作系统可以迅速将CPU分配给其他就绪的程序,从而使CPU始终处于忙碌状态,提高了CPU的利用率,不同程序对I/O设备的使用也可以交叉进行,提高了I/O设备的利用率。
二、进程——资源分配的基本单位
1、进程的概念
进程是程序在一个数据集合上运行的过程,它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位,一个进程包含了程序代码、数据段以及进程控制块(PCB),PCB记录了进程的各种信息,如进程标识符、状态、优先级等,是操作系统对进程进行管理和控制的关键数据结构。
2、以进程为单位分配资源的合理性
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CPU资源分配
- 操作系统通过进程调度算法,将CPU时间片分配给不同的进程,每个进程在其分配到的时间片内执行,在分时操作系统中,多个用户进程轮流使用CPU,每个进程都能在一定时间内得到CPU的服务,就好像每个用户独占一台计算机一样,这种基于进程的CPU分配方式,使得多个程序能够并发执行,提高了CPU的整体利用率。
内存资源分配
- 操作系统为每个进程分配独立的内存空间,这样可以防止不同进程之间的内存相互干扰,保证每个进程能够正常运行,在多任务操作系统中,一个办公软件进程和一个游戏进程在内存中各自拥有自己的地址空间,操作系统根据进程的需求为其分配足够的内存,并且在进程运行过程中对内存进行有效的管理,如内存的分配、回收等操作,以确保内存资源的高效利用。
I/O资源分配
- 当进程需要进行I/O操作时,如读取文件或打印文档,操作系统会为该进程分配相应的I/O设备,不同的进程可以并发地请求不同的I/O设备,操作系统通过合理的调度,使得I/O设备能够在多个进程之间共享,在一个网络服务器环境中,多个进程可能同时需要进行网络I/O操作,操作系统会根据进程的优先级和I/O请求的顺序,合理地分配网络带宽等I/O资源,提高I/O设备的利用率。
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3、进程管理与资源利用率的关系
- 操作系统对进程的创建、撤销、挂起、恢复等操作,都是为了更好地管理资源和提高资源利用率,当系统资源紧张时,操作系统可以挂起一些优先级较低的进程,释放其占用的资源,然后将这些资源分配给更急需资源的进程,在内存资源不足时,操作系统可以将暂时不使用的进程的数据从内存交换到磁盘的交换空间,以腾出内存供其他进程使用。
- 进程之间的同步与互斥机制也有助于提高资源利用率,在多进程环境下,多个进程可能会竞争共享资源,如打印机,通过同步与互斥机制,操作系统可以确保各个进程能够有序地使用共享资源,避免资源冲突造成的资源浪费,采用信号量机制,当一个进程正在使用打印机时,其他进程会被阻塞,直到打印机空闲,这样可以保证打印机资源的合理使用。
在多道系统环境下,以进程为基本单位进行资源分配是操作系统提高资源利用率的有效手段,通过对进程的有效管理,包括CPU、内存、I/O等资源的合理分配,以及进程之间的协调和控制,多道程序并发执行技术能够在现代计算机系统中充分发挥资源的潜力,满足用户多任务处理的需求。
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