為什么引入進(jìn)程？

多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)程序并發(fā)執(zhí)行，為了更好的描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)性和共享性

進(jìn)程：

進(jìn)程控制塊（process control block，PCB）：利用PCB描述進(jìn)程的基本情況和運(yùn)行態(tài)，進(jìn)而控制和管理進(jìn)程。是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)志。

程序段，數(shù)據(jù)段，PCB組成進(jìn)程實(shí)體

進(jìn)程：是進(jìn)程實(shí)體的運(yùn)行過(guò)程，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配（資源指處理機(jī)、存儲(chǔ)器、其他澀北服務(wù)于某個(gè)進(jìn)程的時(shí)間）和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位(未引入線程)

進(jìn)程的基本特征：動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性、結(jié)構(gòu)性

進(jìn)程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換：

• 通常有5種，前3種是基本狀態(tài)：運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)、阻塞態(tài)(等待態(tài))、創(chuàng)建態(tài)、結(jié)束態(tài)

進(jìn)程控制：進(jìn)程創(chuàng)建，進(jìn)程終止，進(jìn)程阻塞與喚醒，進(jìn)程切換

進(jìn)程的組織：

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

• 程序段：能被進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)到CPU執(zhí)行的程序代碼段，可被多個(gè)進(jìn)程共享

• 數(shù)據(jù)段

進(jìn)程通信：

共享存儲(chǔ)：進(jìn)程之間存在一塊可直接訪問(wèn)的共享空間，通過(guò)對(duì)共享空間的讀寫實(shí)現(xiàn)信息交換。操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)為通信進(jìn)程提供可共享的存儲(chǔ)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(guò)發(fā)送消息和接收消息兩個(gè)原語(yǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

• 直接通信：直接掛在接收進(jìn)程的消息隊(duì)列

• 間接通信：發(fā)到某個(gè)中間實(shí)體（信箱）

管道通信：用 一個(gè)用于連接讀進(jìn)程和寫進(jìn)程的共享文件 實(shí)現(xiàn)通信。以字符流形式發(fā)送。管道只能半雙工通信。且一旦數(shù)據(jù)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(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開(kāi)銷，提供操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。

線程：一個(gè)基本的CPU執(zhí)行單元，程序執(zhí)行流的最小單元。線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體，是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位，線程自己不擁有系統(tǒng)資源，與同屬于一個(gè)進(jìn)程的其他線程共享進(jìn)程的資源。

進(jìn)程內(nèi)涵改變：引入線程后，進(jìn)程作為除CPU外的系統(tǒng)資源的分配單元，線程作為處理機(jī)的分配單元

線程屬性：輕型實(shí)體，不擁有資源，有唯一標(biāo)識(shí)線程控制塊；不同線程可執(zhí)行相同程序；同進(jìn)程中不同線程共享進(jìn)程資源；線程是處理機(jī)調(diào)度單位，多線程可以并發(fā)；

線程實(shí)現(xiàn)方式：

• 用戶級(jí)線程：線程管理由應(yīng)用程序完成，通過(guò)線程庫(kù)設(shè)計(jì)

• 內(nèi)核級(jí)線程：線程管理由內(nèi)核完成，應(yīng)用程序沒(méi)有線程管理的代碼，有一個(gè)到內(nèi)核級(jí)線程的編程接口

• 組合方式

線程與進(jìn)程比較

調(diào)度：線程是獨(dú)立調(diào)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(méi)有系統(tǒng)資源，進(jìn)程擁有資源，但線程可以訪問(wèn)進(jìn)程的資源

并發(fā)性：進(jìn)程可以并發(fā)，線程也可以

系統(tǒng)開(kāi)銷：線程開(kāi)銷小，進(jìn)程開(kāi)銷大

地址空間和其他資源：進(jìn)程地址空間相互獨(dú)立，線程沒(méi)有自己獨(dú)立的地址空寂，它共享其所屬進(jìn)程的空間

通信：線程通信需要進(jìn)程同步和互斥手段，線程可以直接讀寫進(jìn)程數(shù)據(jù)段通信

單處理系統(tǒng)，發(fā)生死鎖時(shí)全部進(jìn)程處于阻塞態(tài)

阻塞態(tài)轉(zhuǎn)就緒態(tài)不會(huì)引起另一個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)變化

I/O操作完成之前進(jìn)程在等待結(jié)果，狀態(tài)為阻塞態(tài)；完成后進(jìn)程等待事件就緒，變成就緒態(tài)。

運(yùn)行態(tài)到阻塞態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是進(jìn)程自身決定的

處理機(jī)調(diào)度：把處理機(jī)分配給某個(gè)進(jìn)程，處理機(jī)調(diào)度是多道程序操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)

調(diào)度層次：作業(yè)調(diào)度、中級(jí)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)程調(diào)度是最基本的，不可缺少

不能進(jìn)行進(jìn)程切換的情況：

處理中斷

進(jìn)程在操作系統(tǒng)內(nèi)核程序臨界區(qū)

其他需要完全屏蔽中斷的原子操作過(guò)程中

進(jìn)程調(diào)度方式：非剝奪，剝奪

調(diào)度的基本準(zhǔn)則：

CPU利用率

系統(tǒng)吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)CPU完成作業(yè)的數(shù)量

周轉(zhuǎn)時(shí)間：從作業(yè)提交到作業(yè)完成所經(jīng)歷的時(shí)間；周轉(zhuǎn)時(shí)間 = 作業(yè)完成時(shí)間 - 作業(yè)提交時(shí)間

平均周轉(zhuǎn)時(shí)間：多個(gè)作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間的平均值

帶權(quán)周轉(zhuǎn)時(shí)間：作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間/作業(yè)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間

等待時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間：從用戶提交請(qǐng)求到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)所用的時(shí)間

調(diào)度算法：

先來(lái)先服務(wù)（FCFS）：選最先進(jìn)入隊(duì)列的作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，分配資源創(chuàng)建進(jìn)程放入就緒隊(duì)列；不可剝奪；算法簡(jiǎn)單，對(duì)長(zhǎng)作業(yè)有利，對(duì)短作業(yè)不利，有利于CPU繁忙型作業(yè)，不利于I/O繁忙型作業(yè)

短作業(yè)優(yōu)先（SJF）：選擇運(yùn)行時(shí)間最短的作業(yè)；對(duì)長(zhǎng)作業(yè)不利，導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象，沒(méi)有考慮作業(yè)的緊迫程度；SJF平均等待時(shí)間，平均周轉(zhuǎn)時(shí)間最少

優(yōu)先級(jí)調(diào)度：選擇優(yōu)先級(jí)最高的作業(yè)；分非剝奪式和剝奪式；

高響應(yīng)比優(yōu)先：選擇響應(yīng)比最高的作業(yè)運(yùn)行；響應(yīng)比 = （1+等待時(shí)間/要求服務(wù)時(shí)間）

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：適用分時(shí)系統(tǒng)。將就緒進(jìn)程排序，每個(gè)進(jìn)行運(yùn)行一個(gè)時(shí)間片。

多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法：動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片的大小；設(shè)置多個(gè)就緒隊(duì)列，賦予不同優(yōu)先級(jí)，賦予各個(gè)隊(duì)列中進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間片的大小各不相同，優(yōu)先級(jí)越高，時(shí)間片越小

分時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)度：高響應(yīng)比，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)調(diào)度：優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法

基本概念：

臨界資源：一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源

臨界區(qū)：訪問(wèn)臨界資源的那段代碼

同步：直接制約關(guān)系，為完成某種任務(wù)而建立的兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，需要在某些位置上協(xié)調(diào)工作次序，傳遞信息所產(chǎn)生的制約關(guān)系

互斥：間接制約關(guān)系，一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)，另一個(gè)進(jìn)程必須等待

同步機(jī)制準(zhǔn)則：空閑讓進(jìn)，忙則等待，有限等待，讓權(quán)等待

實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)互斥的基本辦法：

軟件實(shí)現(xiàn)方法：

• 單標(biāo)志法

• 雙標(biāo)志先檢查

• 雙標(biāo)志后檢查

• Peterson's Algorithm

硬件實(shí)現(xiàn)方法：

• TestAndSet方法

• 中斷屏蔽方法（關(guān)中斷）

信號(hào)量：

• P，V操作，P請(qǐng)求資源，V釋放資源

• 同步信號(hào)量初值為0

• 互斥信號(hào)量初值為1

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

管程：

定義：一組數(shù)據(jù)及定義在這組數(shù)據(jù)上的對(duì)這組數(shù)組的操作組成的軟件模塊

組成：局部于管程的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說(shuō)明；對(duì)該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作的一組過(guò)程；對(duì)局部于管程的共享數(shù)據(jù)設(shè)置初始值額語(yǔ)句

特性：局部于管程的數(shù)據(jù)只能被局部于管程內(nèi)的過(guò)程所訪問(wèn)；一個(gè)進(jìn)程只有調(diào)用管程內(nèi)過(guò)程才能進(jìn)入管程訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)；每次運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程在管程內(nèi)執(zhí)行某個(gè)內(nèi)部過(guò)程

同步問(wèn)題:

• 生產(chǎn)者--消費(fèi)者問(wèn)題

• 讀者--寫者問(wèn)題

• 哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題

• 吸煙者問(wèn)題

硬件方法實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步不能實(shí)現(xiàn)讓權(quán)等待，Peterson算法滿足有限等待不滿足讓權(quán)等待。

死鎖的概念：

死鎖：指多個(gè)進(jìn)程因?yàn)楦?jìng)爭(zhēng)資源而造成一種僵局，若無(wú)外力作用，這些進(jìn)程都無(wú)法向前推進(jìn)

產(chǎn)生原因：

爭(zhēng)用系統(tǒng)資源

進(jìn)程推進(jìn)順序非法

死鎖產(chǎn)生的必要條件，只要一個(gè)不滿足，死鎖就不會(huì)發(fā)生

互斥條件

不剝奪條件

請(qǐng)求并保持

循環(huán)等待

死鎖的處理策略

死鎖預(yù)防：破壞死鎖產(chǎn)生的4個(gè)必要條件之一即可

死鎖避免

系統(tǒng)安全狀態(tài)：允許進(jìn)程動(dòng)態(tài)申請(qǐng)資源，但系統(tǒng)在進(jìn)行資源分配之前，先計(jì)算此次資源分配的安全性。若此次分配導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全的狀態(tài)，就讓進(jìn)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(jìn)程向OS請(qǐng)求資源相當(dāng)于貸款。OS按規(guī)則為進(jìn)程分配資源。當(dāng)進(jìn)程首次申請(qǐng)資源，要測(cè)試該進(jìn)程對(duì)資源的最大需求量，若可滿足，則按當(dāng)前申請(qǐng)量分配資源，否則推遲分配。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行中繼續(xù)申請(qǐng)資源，測(cè)試當(dāng)前占用和申請(qǐng)的資源是否超過(guò)最大需求量，超過(guò)拒絕，未超過(guò)測(cè)試現(xiàn)有資源是否滿足最大需求量，滿足則分配申請(qǐng)的資源，否則推遲分配。

死鎖檢測(cè)及解除

資源分配圖

死鎖定理：S為死鎖狀態(tài)的條件是當(dāng)且僅當(dāng)S狀態(tài)的資源分配圖是不可完全簡(jiǎn)化的。

死鎖解除：

資源剝奪法

撤銷進(jìn)程法

進(jìn)程回退法