為什么引入進程？

多道程序環境下，允許多個程序并發執行，為了更好的描述和控制程序的并發執行，實現操作系統的并發性和共享性

進程：

進程控制塊（process control block，PCB）：利用PCB描述進程的基本情況和運行態，進而控制和管理進程。是進程存在的唯一標志。

程序段，數據段，PCB組成進程實體

進程：是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配（資源指處理機、存儲器、其他澀北服務于某個進程的時間）和調度的一個獨立單位(未引入線程)

進程的基本特征：動態性、并發性、獨立性、異步性、結構性

進程的狀態與轉換：

• 通常有5種，前3種是基本狀態：運行態、就緒態、阻塞態(等待態)、創建態、結束態

進程控制：進程創建，進程終止，進程阻塞與喚醒，進程切換

進程的組織：

• 進程控制塊：進程描述信息，進程控制和管理信息，資源分配清單和處理機相關信息；PCB組織方式有鏈接方式和索引方式

• 程序段：能被進程調度程序調到CPU執行的程序代碼段，可被多個進程共享

• 數據段

進程通信：

共享存儲：進程之間存在一塊可直接訪問的共享空間，通過對共享空間的讀寫實現信息交換。操作系統負責為通信進程提供可共享的存儲空間和同步互斥工具

消息傳遞：以格式化的消息為單位，通過發送消息和接收消息兩個原語進行數據交換

• 直接通信：直接掛在接收進程的消息隊列

• 間接通信：發到某個中間實體（信箱）

管道通信：用 一個用于連接讀進程和寫進程的共享文件 實現通信。以字符流形式發送。管道只能半雙工通信。且一旦數據被讀取，就從管道中拋棄，釋放空間。

線程：

引入線程的目的？

減小程序在并發執行時所付出的時空開銷，提供操作系統的并發性能。

線程：一個基本的CPU執行單元，程序執行流的最小單元。線程是進程中的一個實體，是被系統獨立調度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統資源，與同屬于一個進程的其他線程共享進程的資源。

進程內涵改變：引入線程后，進程作為除CPU外的系統資源的分配單元，線程作為處理機的分配單元

線程屬性：輕型實體，不擁有資源，有唯一標識線程控制塊；不同線程可執行相同程序；同進程中不同線程共享進程資源；線程是處理機調度單位，多線程可以并發；

線程實現方式：

• 用戶級線程：線程管理由應用程序完成，通過線程庫設計

• 內核級線程：線程管理由內核完成，應用程序沒有線程管理的代碼，有一個到內核級線程的編程接口

• 組合方式

線程與進程比較

調度：線程是獨立調度的基本單位，線程是擁有資源的基本單位

擁有資源：線程沒有系統資源，進程擁有資源，但線程可以訪問進程的資源

并發性：進程可以并發，線程也可以

系統開銷：線程開銷小，進程開銷大

地址空間和其他資源：進程地址空間相互獨立，線程沒有自己獨立的地址空寂，它共享其所屬進程的空間

通信：線程通信需要進程同步和互斥手段，線程可以直接讀寫進程數據段通信

單處理系統，發生死鎖時全部進程處于阻塞態

阻塞態轉就緒態不會引起另一個進程的狀態變化

I/O操作完成之前進程在等待結果，狀態為阻塞態；完成后進程等待事件就緒，變成就緒態。

運行態到阻塞態的狀態轉換是進程自身決定的

處理機調度：把處理機分配給某個進程，處理機調度是多道程序操作系統的基礎

調度層次：作業調度、中級調度、進程調度，進程調度是最基本的，不可缺少

不能進行進程切換的情況：

處理中斷

進程在操作系統內核程序臨界區

其他需要完全屏蔽中斷的原子操作過程中

進程調度方式：非剝奪，剝奪

調度的基本準則：

CPU利用率

系統吞吐量：單位時間內CPU完成作業的數量

周轉時間：從作業提交到作業完成所經歷的時間；周轉時間 = 作業完成時間 - 作業提交時間

平均周轉時間：多個作業周轉時間的平均值

帶權周轉時間：作業周轉時間/作業實際運行時間

等待時間

響應時間：從用戶提交請求到系統首次產生響應所用的時間

調度算法：

先來先服務（FCFS）：選最先進入隊列的作業調入內存，分配資源創建進程放入就緒隊列；不可剝奪；算法簡單，對長作業有利，對短作業不利，有利于CPU繁忙型作業，不利于I/O繁忙型作業

短作業優先（SJF）：選擇運行時間最短的作業；對長作業不利，導致饑餓現象，沒有考慮作業的緊迫程度；SJF平均等待時間，平均周轉時間最少

優先級調度：選擇優先級最高的作業；分非剝奪式和剝奪式；

高響應比優先：選擇響應比最高的作業運行；響應比 = （1+等待時間/要求服務時間）

時間片輪轉調度：適用分時系統。將就緒進程排序，每個進行運行一個時間片。

多級反饋隊列調度算法：動態調整進程優先級和時間片的大小；設置多個就緒隊列，賦予不同優先級，賦予各個隊列中進程執行時間片的大小各不相同，優先級越高，時間片越小

分時操作系統調度：高響應比，時間片輪轉，多級反饋隊列調度

實時操作系統調度：優先級調度算法

基本概念：

臨界資源：一次僅允許一個進程使用的資源

臨界區：訪問臨界資源的那段代碼

同步：直接制約關系，為完成某種任務而建立的兩個或多個進程，需要在某些位置上協調工作次序，傳遞信息所產生的制約關系

互斥：間接制約關系，一個進程進入臨界區，另一個進程必須等待

同步機制準則：空閑讓進，忙則等待，有限等待，讓權等待

實現臨界區互斥的基本辦法：

軟件實現方法：

• 單標志法

• 雙標志先檢查

• 雙標志后檢查

• Peterson's Algorithm

硬件實現方法：

• TestAndSet方法

• 中斷屏蔽方法（關中斷）

信號量：

• P，V操作，P請求資源，V釋放資源

• 同步信號量初值為0

• 互斥信號量初值為1

• 應用：若某個行為要用某種資源，在這個行為前P這種資源；若某行為提供某資源，在這個行為后V這種資源。在互斥問題中，P，V操作要求夾緊使用互斥資源的那個行為，中間不能有其他冗余代碼。

管程：

定義：一組數據及定義在這組數據上的對這組數組的操作組成的軟件模塊

組成：局部于管程的共享數據結構說明；對該數據結構進行操作的一組過程；對局部于管程的共享數據設置初始值額語句

特性：局部于管程的數據只能被局部于管程內的過程所訪問；一個進程只有調用管程內過程才能進入管程訪問共享數據；每次運行一個進程在管程內執行某個內部過程

同步問題:

• 生產者--消費者問題

• 讀者--寫者問題

• 哲學家進餐問題

• 吸煙者問題

硬件方法實現進程同步不能實現讓權等待，Peterson算法滿足有限等待不滿足讓權等待。

死鎖的概念：

死鎖：指多個進程因為競爭資源而造成一種僵局，若無外力作用，這些進程都無法向前推進

產生原因：

爭用系統資源

進程推進順序非法

死鎖產生的必要條件，只要一個不滿足，死鎖就不會發生

互斥條件

不剝奪條件

請求并保持

循環等待

死鎖的處理策略

死鎖預防：破壞死鎖產生的4個必要條件之一即可

死鎖避免

系統安全狀態：允許進程動態申請資源，但系統在進行資源分配之前，先計算此次資源分配的安全性。若此次分配導致系統進入不安全的狀態，就讓進程等待，否則，分配資源。

銀行家算法：OS為銀行家，OS管理的資源為資金，進程向OS請求資源相當于貸款。OS按規則為進程分配資源。當進程首次申請資源，要測試該進程對資源的最大需求量，若可滿足，則按當前申請量分配資源，否則推遲分配。當進程執行中繼續申請資源，測試當前占用和申請的資源是否超過最大需求量，超過拒絕，未超過測試現有資源是否滿足最大需求量，滿足則分配申請的資源，否則推遲分配。

死鎖檢測及解除

資源分配圖

死鎖定理：S為死鎖狀態的條件是當且僅當S狀態的資源分配圖是不可完全簡化的。

死鎖解除：

資源剝奪法

撤銷進程法

進程回退法