1. 进程

1.1 进程的概念、组成、特征

概念

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合

进程（Process）：是动态的，是程序的一次执行过程

组成

PCB+程序段+数据段

特征

1.2 进程的状态与转换、进程的组织

进程的状态与转换

进程的组织

链接方式

索引方式

1.3 进程控制

进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。

简化理解：进程控制就是要实现进程状态转换

如何实现进程控制？

用“原语”实现

如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

如何实现原语的“原子性”

原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。

可以用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性

进程控制相关的原语

程序是如何运行的

1.4 进程通信

什么是进程间通信

为什么进程通信需要操作系统支持

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。

共享存储

为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。

各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作）

基于数据结构的共享
基于存储区的共享

消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

直接通信方式

间接通信方式

管道通信

“管道”是一个特殊的共享文件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。

管道只能采用半双工通信，某一时间段只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道
各进程要互斥的访问管道（由操作系统实现）
当管道写满时，写进程将被阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程
当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道写入数据，即可唤醒读进程
管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一管道时，可能会错乱。对此，通常有两种解决方案

①一个管道允许多个写进程，一个读进程

②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据

1.5 线程的概念

什么是线程，为什么要引入线程

可以把线程理解为“轻量级进程”。

线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）。

引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。

引入线程之后，有什么变化

线程的属性

1.6 线程的实现方式和多线程模型

线程的实现方式

用户级线程

线程的管理由谁完成？

由应用程序的线程库管理。

线程切换是否需要CPU变态？

不需要，在用户态下就能完成线程的切换。

操作系统是否能意识到用户级线程的存在？

不能，操作系统只能看到进程的存在。

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。

缺点: 当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。

内核级线程

线程的管理工作由谁来完成？

操作系统内核。

线程切换是否需要CPU变态

线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必须在核心态下才能完成。

操作系统是否能意识到内核级线程的存在

是

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理成本高，开销大。

多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型

一对一模型

优点：当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。

缺点：一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理成本高，开销大。

多对一模型

优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。

缺点: 当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行。

多对多模型

多对多模型：n用户级线程映射到m个内核级线程（n>=m）。每个用户进程对应m个内核级进程

克服了多对一模型并发度不高的缺点（一个阻塞全体阻塞），又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

1.7 线程的状态与转换

状态与转换

组织与控制

2. 处理机调度

2.1 调度的概念、层次

调度的基本概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。

三个层次

高级调度（作业调度）

作业：一个具体的任务

用户向系统提交一个作业≈用户让操作系统启动一个程序（来处理一个具体的任务）

低级调度

中级调度

补充知识：进程的挂起态与七状态模型

“挂起”和“阻塞”的区别：两种状态都是暂时不能获得CPU的服务，但挂起态是将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中。

有的操作系统会把就绪挂起、阻塞挂起分为两个挂起队列，甚至会根据阻塞原因不同再把阻塞挂起进程进一步细分为多个队列。

三层调度的联系、对比

2.2 进程调度的时机、切换与过程、方式

进程调度的时机

进程调度（低级调度），就是按照某种算法从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机。

进程调度的方式

非剥夺调度方式：又称非抢占方式。即，只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
剥夺调度方式，又称抢占方式。当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的进程。

进程的切换与过程

“狭义的进程调度”与“进程切换”的区别：

狭义的进程调度指的是从就绪队列中选中一个要运行的程序。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）。

进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。

广义的进程调度包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

进程切换的过程主要完成了：

对原来运行进程各种数据的保存
对新的进程各种数据的恢复

（如：程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块）

注意：进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少。

2.3 调度器和闲逛进程

调度器/调度程序

闲逛进程

调度程序永远的备胎，没有其他就绪进程时，运行闲逛进程（idle）。

闲逛进程的特性：

优先级最低
可以是0地址指令，占一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）
能耗低

2.4 调度算法的评价指标

CPU利用率

CPU利用率：指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例。

利用率 = 忙碌的时间/总时间

系统吞吐量

用尽可能少的时间处理完尽可能多的作业。

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量。

系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业/总共花了多少时间

周转时间

周转时间：指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。

它包括四个部分：

作业在外存后备队列上等待作业调度的时间
进程在就绪队列上等待进程调度的时间
进程在CPU上执行的时间
进程等待I/O操作完成的时间

（作业）周转时间 = 作业完成时间-作业提交时间

平均周转时间 = 各作业周转时间之和/作业数

带权周转时间 = 作业周转时间/作业实际运行的时间

平均带权周转时间 = 各作业带权周转时间/作业数

等待时间

等待时间：指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低

对于进程来说，等待时间就是指进程建立后等待被服务的时间之和，在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的，所以不计入等待时间。

对于作业来说，不仅要考虑建立进程后的等待时间，还要加上作业在外存后备队列中等待的时间。

一个作业总共需要被CPU服务多久，被I/O设备服务多久一般是确定不变的，因此调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间。当然，与前面指标类似，也有“平均等待时间”来评价整体性能。

响应时间

响应时间：指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间。

2.5 调度算法

2.5.1 调度算法（早期批处理系统）

先来先服务

短作业优先

FCFS算法是在每次调度的时候选择一个等待时间最长的作业（进程）为其服务。但是没有考虑到作业的运行时间，因此导致了对短作业不友好的问题。

SJF算法是选择一个执行时间最短的作业为其服务。但是又完全不考虑各个作业的等待时间，因此导致了对长作业不友好的问题，甚至还会造成饥饿问题。

高响应比优先

2.5.2 调度算法（交互式系统）

时间片轮转（分时操作系统）

优先级调度算法（实时操作系统）

非抢占式

抢占式

多级反馈队列调度算法

2.5.3 多级队列调度算法

3. 进程同步、进程互斥

3.1 进程同步、进程互斥

什么是进程同步

什么是进程互斥

3.2 进程互斥的软件实现方法

单标志法

只能按P0->P1->P0->P1->...这样轮流访问。这种必须“轮流访问”带来的问题是，如果此时允许进入临界区的进程是P0，而P0一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许P1访问。

因此，单标志法存在的主要问题是：违背“空闲让进”原则。

双标志先检查

双标志后检查

Peterson算法

算法思想：结合双标志法、单标志法的思想。如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”。

Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、忙则等待、优先等待三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。

Peterson算法相较于之前三种软件解决方案来说，是最好的，但依然不够好。

3.3 进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法

利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况）。

优点：简单、高效。

缺点：不适用于多处理机；只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户使用非常危险）。

TestAndSet指令

简称TS指令，也有地方称为TestAndSetLock指令，或TSL指令

TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。

Swap指令

有的地方也叫Exchange指令，或简称XCHG指令

Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。

3.4 互斥锁

解决临界区最简单的工具就是互斥锁。一个进程在进入临界区时应获得锁；在退出临界区时释放锁。函数acquire()获得锁，而函数release()释放锁。

每个互斥锁有一个布尔变量available，表示锁是否可用。如果锁是可用的，调用acquire()会成功，且锁不再可用。当一个进程试图获取不可用的锁时，会被阻塞，直到锁被释放。

acquire()或release()的执行必须是原子操作，因此互斥锁通常采用硬件机制来实现。

互斥锁的主要缺点是忙等待，当有一个进程在临界区中，任何其他进程在进入临界区时必须连续循环调用acquire()。当多个进程共享同一CPU时，就浪费了CPU周期。因此，互斥锁通常用于多处理器系统，一个线程可以在一个处理器上等待，不影响其他线程的执行。

需要连续循环忙等的互斥锁，都可称为自旋锁（spin lock），如TSL指令，swap指令、单标志法。

特性：

需忙等，进程时间片用完才下处理机，违反“让权等待”
优点：等待期间不用切换进程上下文，多处理器系统中，若上锁的时间短，则等待代价很低
常用于多处理器系统，一个核忙等，其他核照常工作，并快速释放临界区
不太适用于单处理机系统，忙等的过程中不可能解锁

3.5 信号量机制

整型信号量

用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。

记录型信号量

整型信号量的缺陷是存在“忙等”问题，因此人们又提出了“记录型信号量”，即用记录型数据结构表示的信号量。

3.6 用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

信号量机制实现进程互斥

分析并发进程的关键活动，划定临界区（如：对临界资源打印机的访问就应放在临界区）
设置互斥信号量mutex，初值为1
在进入区P(mutex)——申请资源
在退出区V(mutex)——释放资源

注意：

对不同的临界资源需要设置不同的互斥信号量。

P、V操作必须成对出现。缺少P(mutex)就不能保证临界资源的互斥访问。缺少V(mutex)会导致资源永不被释放，等待进程永不被唤醒。

信号量机制实现进程同步

信号量机制实现前驱关系

3.7 生产者-消费者问题

系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区取出一个产品并使用。（注：这里的“产品”理解为某种数据）

生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。

只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。

只有缓冲区不空时，生产者才能从中取出产品，否则必须等待。

缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。

PV操作题目分析步骤：

关系分析
整理思路
设置信号量

如何实现

3.8 多生产者-多消费者问题

问题描述

问题分析

原因在于：本题中的缓冲区大小为1，在任何时刻，apple、orange、plate三个同步信号量中最多只有一个是1。因此在任何时刻，最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并顺利地进入临界区。

知识回顾与重要考点

3.9 吸烟者问题

问题描述

问题分析

知识回顾与重要考点

3.10 读者、写者问题

问题描述

问题分析

如何实现

知识回顾

3.11 哲学家进餐问题

问题描述

问题分析

如何实现

知识回顾与重要考点

3.12 管程

为什么要引入管程

管程的定义和基本特征

管程是一种特殊的软件模块，有这些部分组成：

局部于管程的共享数据结构说明
对该数据结构进行操作的一组过程
对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
管程有一个名字

跨考Tips：“过程”其实就是“函数”

管程的基本特征：

局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问
一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据
每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程

知识回顾与重要考点

4. 死锁

4.1 死锁的概念

知识总览

什么是死锁

死锁：在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象，就是“死锁”。发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进。

饥饿：由于长期得不到想要的资源，某进程无法向前推进的现象。比如：在短进程优先（SPF）算法中，若有源源不断的短进程到来，则长进程将一直得不到处理机，从而发生长进程“饥饿”。

死循环：某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑Bug导致的，有时是程序员故意设计的。

死锁产生的必要条件

产生死锁必须同时满足以下四个条件，只要任一条件不成立，死锁就不会发生。

互斥条件：只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁（如哲学家的筷子、打印机设备）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。
不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。
请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。
循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。

发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁。

如果同类资源数大于1，即使有循环等待，也未必发生死锁。但如果系统中每类资源都只有一个，那循环等待就是死锁的充分必要条件了。

什么时候会发生死锁

对系统资源的竞争。各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争可能引起死锁，对可剥夺的资源（CPU）的竞争是不会引起死锁的。
进程推进顺序非法。请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如，并发执行的进程P1、P2分别申请并占有了资源R1、R2，之后进程P1又紧接着申请资源R2，而进程P2又申请资源R1，两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞，从而发生死锁。
信号量的使用不当也会造成死锁。如生产者-消费者问题中，如果实现互斥的P操作在实现同步的P操作之前，就有可能导致死锁。（可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源）

总之，对不可剥夺资源的分配不合理时，就可能会发生死锁。

死锁的处理策略

预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
避免死锁。用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法）。
死锁的检测和解除。允许死锁的产生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。

知识回顾与重要考点

4.2 死锁的处理策略——预防死锁

知识总览

破坏互斥条件

互斥条件：只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁。

如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。比如：SPOOLing技术。

操作系统可以采用SPOOLing技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如，用SPOOLing技术将打印机改造成共享设备。

该策略的缺点：并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。

破坏不剥夺条件

不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。

破坏不剥夺条件：

方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
方案二：当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级。（比如：剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用）

该策略的缺点：