一.什么是进程
进程概念：
进程（Process），是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动，是系统进行 『资源分配和调度』 的一个独立单位。
进程的结构
- 控制块（PCB）：进程唯一标识
- 数据段：存放原始数据与中间数据
- 程序段：存放在文本区域，可被多个进程共享
进程的特征
- 动态性：由创建而生，由撤销而亡
- 并发性：多个进程同时运行
- 独立性：独立资源分配
- 异步性：相互独立、互不干扰
进程与线程
什么是线程？
- Thread，进程的轻型实体，也叫“轻量级进程”，是一系列活动按事先设定好的顺序依次执行的过程，是一系列指令的集合
- 是一条执行路径，不能单独存在，必须包含在进程中
- 线程是OS中运算调度的最小单位
为什么引入线程？： 提高OS的并发性
线程的属性
- 轻型实体
- 独立调度和分派的基本单位
- 可并发执行
- 共享进程资源
线程的实现方式
- 用户级线程
- 内核级线程
总结：
二.进程是怎么运行的
进程的状态
- 就绪（Ready）
- 执行（Running）
- 阻塞（Blocked）
- 创建（New）
- 终止（Terminated）
进程控制
即OS对进程实现有效的管理，包括创建新进程、撤销已有进程、挂起、阻塞和唤醒、进程切换等多种操作。OS通过 原语（Primitive） 操作实现进程控制。
那么原语是什么？（前文复习）
由若干条指令组成，完成特定的功能，是一种原子操作（Action Operation）
特点：
- 原子操作，要么全做，要么全不做，执行过程不会被中断
- 在管态/系统态/内核态下执行，常驻内存
- 是内核三大支撑功能（中断处理/时钟管理/原语操作）之一
进程控制中的原语操作：
基本操作原语
- 创建原语：create
- 阻塞原语：block
- 唤醒原语：wakeup
- 撤销原语：destroy
操作如图：
挂起与激活原语
为了系统和用户观察和分析进程
- 挂起原语： suspend
- 静止就绪：放外存，不调度
- 静止阻塞：等待事件
- 激活原语：active
- 活动就绪：等待调度
- 活动阻塞：等待唤醒
处理机调度
根据一定的算法和原则将处理机资源进行重新分配的过程。
前提：作业/进程数远远大于处理机数
目的：提高资源利用率，减少处理机空闲时间
调度程序：一方面要满足特定系统用户的需求（快速响应），另一方面要考虑系统整体效率（系统平均周转时间）和调度算法本身的开销
调度的层次
高级调度/作业调度
- 把后备作业调入内存
- 只调入一次，调出一次
中级调度/内存调度
- 将进程调至外存，条件合适再调入内存
- 在内、外存对换区进行进程对换
低级调度/进程调度
- 从就绪队列选取进程分配给处理机
- 最基本的调度，频率非常高（相当于一个时间片完成）
调度方式
剥夺式/抢占式调度
- 立即暂停当前进程
- 分配处理机给另一个进程
- 原则：优先权/短进程优先/时间片原则
非剥夺/非抢占式调度
- 若有进程请求执行
- 等待直到当前进程完成或阻塞
- 缺点：适用于批处理系统，不适用分时/实时系统
调度时机
- 进程运行完毕
- 进程时间片用完
- 进程要求I/O操作
- 执行某种原语操作
- 高优先级进程申请运行（剥夺式调度）
调度过程
- 保存镜像：记录进程现场信息
- 调度算法：确定分配处理机的原则
- 进程切换：分配处理机给其它进程
- 处理机回收：从进程收回处理机
调度算法
先来先服务（FCFS)
算法内容：调度作业/就绪队列中最先入队者，等待操作完成或阻塞
算法原则：按作业/进程到达顺序服务（执行）
调度方式：非抢占式调度
适用场景：作业/进程调度
优缺点：
有利于CPU繁忙型作业，充分利用CPU资源
不利于I/O繁忙型作业，操作耗时，其它饥饿
短作业优先(SJF)
算法内容：所需服务时间最短的作业/进程优先服务（执行）
算法原则：追求最少的平均（带权）周转时间
调度方式：SJF/SPF非抢占式
适用场景：作业/进程调度
优缺点：
平均等待/周转时间最少（算法原则）
长作业周转时间会增加或饥饿
估计时间不准确，不能保证紧迫任务及时处理
高响应比优先调度(HRRN)
算法内容：结合FCFS和SJF，综合考虑等待时间和服务时间计算响应比，高的优先调度
算法原则：综合考虑作业/进程的等待时间和服务时间
调度方式：非抢占式
适用场景：作业/进程调度
响应比计算： 响应比=(等待时间+服务时间)/服务时间, ≥1 只有当前进程放弃执行权（完成/阻塞）时，重新计算所有进程响应比 长作业等待越久响应比越高，更容易获得处理机
优先级调度（PSA)
算法内容：又叫优先权调度，按作业/进程的优先级（紧迫程度）进行调度
算法原则：优先级最高（最紧迫）的作业/进程先调度
调度方式：抢占/非抢占式（并不能获得及时执行）
适用场景：作业/进程调度
优先级设置原则：
- 静态/动态优先级
- 系统>用户；交互型>非交互型；I/O型>计算型
- 低优先级进程可能会产生“饥饿”
时间片轮转调度(RR)
算法内容：按进程到达就绪队列的顺序，轮流分配一个时间片去执行，时间用完则剥夺
算法原则：公平、轮流为每个进程服务，进程在一定时间内都能得到响应
调度方式：抢占式，由时钟中断确定时间到
适用场景：进程调度
优缺点：
公平，响应快，适用于分时系统（人人都有饭吃）
时间片决定因素：系统响应时间、就绪队列进程数量、系统处理能力
时间片太大，相当于FCFS；太小，处理机切换频繁，开销增大
多级反馈队列调节(MFQ)
算法内容：
- 设置多个按优先级排序的就绪队列
- 优先级从高到底，时间片从小到大
- 新进程采用队列降级法
- 进入第一级队列，按FCFS分时间片
- 没有执行完，移到第二级，第三级。。。
- 前面队列不为空，不执行后续队列进程
算法原则：集前几种算法优点，相当于PSA+RR
调度方式：抢占式
适用场景：进程调度
优点：
- 对各类型相对公平；快速响应；
- 终端型作业用户：短作业优先
- 批处理作业用户：周转时间短
- 长批处理作业用户：在前几个队列部分执行
总结
进程之间是怎么协作的
进程通信
概念：进程通信即进程间的信息交换
进程是资源分配的基本单位，各进程内存空间彼此独立
一个进程不能随意访问其它进程的地址空间
特点：
- 共享存储（Shared-Memory）
- 消息传递（Message-Passing）
- 管道通信（Pipe）
共享存储
基于共享数据结构的通信方式
- 多个进程共用某个数据结构（OS提供并控制）
- 由用户（程序员）负责同步处理
- 低级通信：可以传递少量数据，效率低
基于共享存储区的通信方式
- 多个进程共用内存中的一块存储区域
- 由进程控制数据的形式和方式方式
- 高级通信：可以传递大量数据，效率高
消息传递
直接通信：点到点发送
- 发送和接收时指明双方进程的ID
- 每个进程维护一个消息缓冲队列
间接通信：广播信箱
- 以信箱为媒介，作为中间实体
- 发进程将消息发送到信箱，收进程从信箱读取
- 可以广播，容易建立双向通信链
管道通信
管道
- 用于连接读/写进程的共享文件，pipe文件
- 本质是内存中固定大小的缓冲区
半双工通信
- 同一时段只能单向通信，双工通信需要两个管道
- 以先进先出（FIFO）方式组织数据传输
- 通过系统调用read()/write()函数进行读写操作
进程同步
协调进程间的相互制约关系，使它们按照预期的方式执行的过程
前提
- 进程是并发执行的，进程间存在着相互制约关系
- 并发的进程对系统共享资源进行竞争
- 进程通信，过程中相互发送的信号称为消息或事件
两种相互制约形式
- 间接相互制约关系（互斥）：进程排他性地访问共享资源
- 直接相互制约关系（同步）：进程间的合作，比如管道通信
互斥的访问临界资源
访问过程
- 进入区：尝试进入临界区，成功则加锁（lock）
- 临界区：访问共享资源
- 退出区：解锁（unlock），唤醒其它阻塞进程
- 剩余区：其它代码
访问原则
- 空闲让进：临界区空闲，允许一个进程进入
- 忙则等待：临界区已有进程，其它进程等待（阻塞状态）
- 有限等待：处于等待的进程，等待时间有限
- 让权等待：等待时应让出CPU执行权，防止“忙等待”
软件实现方法
- 单标志法：违背“空闲让进”
- 双标志法先检查
- 双标志法后检查
- 皮特森算法（Peterson's Algorithm）
单标志法：违背“空闲让进”
双标志法先检查：违背“忙则等待”
双标志法后检查：违背“空闲让进”，“有限等待”
皮特森算法：违背“让权等待”，“忙等”
硬件实现方法
- 中断屏蔽方法：关中断/开中断
- 禁止一切中断，CPU执行完临界区之前不会切换
- 关中断可能会被滥用
- 关中断时间长影响效率
- 不适用于多处理机，无法防止其它处理机调度其它进程访问临界区
- 只适用于内核进程（该指令运行在内核态）
Test-And-Set（TS指令/TSL指令）
- 读出标志并设置为true，返回旧值，原子操作
- 也被称作TSL指令（ Test-And-Set-Lock ）
- 违背“让权等待”，会发生忙等
Swap指令（ EXCHANGE，XCHG指令）
- 交换两个变量的值，原子操作
- 违背“让权等待”
信号量（Semaphore）机制
PV操作：
- P操作：wait原语，进程等待
- V操作：signal原语，唤醒等待进程
整型信号量：违背“让权等待”，会发生忙等
记录型信号量：进程进入阻塞状态，不会忙等
管程（Monitor，监视器）
“管理进程”，即用于实现进程同步的工具。是由代表共享资源的数据结构和一组过程（进行PV操作的函数）组成的管理程序（封装）。
管程的组成
- 管程名称
- 局部于管程内部的共享数据结构
- 对该数据结构操作的一组过程（函数）
- 管程内共享数据的初始化语句
管程的基本特性
- 是一个模块化的基本程序单位，可以单独编译
- 是一种抽象数据类型，包含数据和操作
- 信息掩蔽，共享数据只能被管程内的过程访问
条件变量/条件对象
- 进入管程的进程可能由于条件不满足而阻塞
- 此时进程应释放管程以便其它进程调用管程
- 进程被阻塞的条件（原因）有多个，移入不同的条件队列
- 进程被移入条件队列后，应释放管程
总结
四.如何处理死锁问题
死锁的概念
死锁定义：多个进程由于竞争资源而造成的阻塞现象，若无外力作用，这些进程将无法继续推进。
相似概念：饥饿 等待时间过长以至于给进程推进和响应带来明显影响，“饿而不死” 死锁产生的原因
- 系统资源的竞争
- 进程推进顺序非法 死锁产生的必要条件 互斥条件：共享资源的排他性访问 不剥夺条件：访问时该共享资源不会被剥夺 请求并保持条件：保持当前资源时请求另一个资源 循环等待条件：存在共享资源的循环等待链
死锁的处理策略
死锁预防
破坏互斥条件
- 将只能互斥访问的资源改为同时共享访问
- 将独占锁改为共享锁
- 缺点：不是所有资源都能改成可共享的
破坏不剥夺/不可抢占条件
- 请求新资源无法满足时必须释放已有资源
- 由OS协助强制剥夺某进程持有的资源
缺点：
- 实现复杂，代价高
- 此操作过多导致原进程任务无法推进
破坏请求并保持条件
进程开始运行时一次性申请所需资源
缺点：
- 资源浪费
- 进程饥饿
阶段性请求和释放资源
破坏循环等待条件
对所有资源现行排序，按序号请求资源
- 请求时先低再高
- 释放时先高再低
缺点：
- 对资源的编号应相对稳定，限制了新设备增加
- 进程使用资源的顺序可能与系统编号顺序不同
- 限制了用户编程
死锁避免
安全性算法
系统安全状态
- 安全状态一定不会出现死锁
- 不安全状态可能出现死锁
银行家算法
- 系统预判进程请求是否导致不安全状态
- 是则拒绝请求，否则答应请求
死锁的检测与解除
死锁检测
- 需要一种数据结构，保存有关资源的请求和分配信息
- 提供一种算法，利用这些信息检测是否形成了死锁
死锁解除
- 资源剥夺
- 撤销进程
- 进程回退
死锁的检测
资源分配图（G=(N, E)）：
- 两种资源
- 两种节点
死锁定理（死锁状态的充分条件）：
- 当且仅当此状态下资源分配图是不可完全简化的
- 简化过程类似于“拓扑排序”算法（注意数据结构考察）
死锁的解除
资源剥夺
- 挂起死锁进程
- 剥夺其资源
- 将资源分配给其它（死锁）进程
撤销进程
进程回退
- 回退到足以避免死锁的地步
- 需要记录进程历史信息，设置还原点
