為什么引入進程？

多道程序環(huán)境下，允許多個程序并發(fā)執(zhí)行，為了更好的描述和控制程序的并發(fā)執(zhí)行，實現(xiàn)操作系統(tǒng)的并發(fā)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(tài)，進而控制和管理進程。是進程存在的唯一標志。

程序段，數(shù)據(jù)段，PCB組成進程實體

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

進程的基本特征：動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性、異步性、結(jié)構(gòu)性

進程的狀態(tài)與轉(zhuǎn)換：

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

進程控制：進程創(chuàng)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(guān)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(diào)度程序調(diào)到CPU執(zhí)行的程序代碼段，可被多個進程共享

• 數(shù)據(jù)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(xiàn)信息交換。操作系統(tǒng)負責(zé)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(fā)送消息和接收消息兩個原語進行數(shù)據(jù)交換

• 直接通信：直接掛在接收進程的消息隊列

• 間接通信：發(fā)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(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)行時所付出的時空開銷，提供操作系統(tǒng)的并發(fā)性能。

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

進程內(nèi)涵改變：引入線程后，進程作為除CPU外的系統(tǒng)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(zhí)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(diào)度單位，多線程可以并發(fā)；

線程實現(xiàn)方式：

• 用戶級線程：線程管理由應(yīng)用程序完成，通過線程庫設(shè)計

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

• 組合方式

線程與進程比較

調(diào)度：線程是獨立調(diào)度的基本單位，線程是擁有資源的基本單位

擁有資源：線程沒有系統(tǒng)資源，進程擁有資源，但線程可以訪問進程的資源

并發(fā)性：進程可以并發(fā)，線程也可以

系統(tǒng)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(shù)據(jù)段通信

單處理系統(tǒng)，發(fā)生死鎖時全部進程處于阻塞態(tài)

阻塞態(tài)轉(zhuǎn)就緒態(tài)不會引起另一個進程的狀態(tài)變化

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

運行態(tài)到阻塞態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是進程自身決定的

處理機調(diào)度：把處理機分配給某個進程，處理機調(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、中級調(diào)度、進程調(diào)度，進程調(diào)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(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程中

進程調(diào)度方式：非剝奪，剝奪

調(diào)度的基本準則：

CPU利用率

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

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

平均周轉(zhuǎn)時間：多個作業(yè)周轉(zhuǎn)時間的平均值

帶權(quán)周轉(zhuǎn)時間：作業(yè)周轉(zhuǎn)時間/作業(yè)實際運行時間

等待時間

響應(yīng)時間：從用戶提交請求到系統(tǒng)首次產(chǎn)生響應(yīng)所用的時間

調(diào)度算法：

先來先服務(wù)（FCFS）：選最先進入隊列的作業(yè)調(diào)入內(nèi)存，分配資源創(chuàng)建進程放入就緒隊列；不可剝奪；算法簡單，對長作業(yè)有利，對短作業(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）：選擇運行時間最短的作業(yè)；對長作業(yè)不利，導(dǎo)致饑餓現(xiàn)象，沒有考慮作業(yè)的緊迫程度；SJF平均等待時間，平均周轉(zhuǎn)時間最少

優(yōu)先級調(diào)度：選擇優(yōu)先級最高的作業(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)運行；響應(yīng)比 = （1+等待時間/要求服務(wù)時間）

時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度：適用分時系統(tǒng)。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(diào)度算法：動態(tài)調(diào)整進程優(yōu)先級和時間片的大小；設(shè)置多個就緒隊列，賦予不同優(yōu)先級，賦予各個隊列中進程執(zhí)行時間片的大小各不相同，優(yōu)先級越高，時間片越小

分時操作系統(tǒng)調(diào)度：高響應(yīng)比，時間片輪轉(zhuǎn)，多級反饋隊列調(diào)度

實時操作系統(tǒng)調(diào)度：優(yōu)先級調(diào)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(qū)：訪問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)而建立的兩個或多個進程，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，一個進程進入臨界區(qū)，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(quán)等待

實現(xiàn)臨界區(qū)互斥的基本辦法：

軟件實現(xiàn)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(xiàn)方法：

• TestAndSet方法

• 中斷屏蔽方法（關(guān)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(yīng)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(shù)據(jù)及定義在這組數(shù)據(jù)上的對這組數(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)說明；對該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行操作的一組過程；對局部于管程的共享數(shù)據(jù)設(shè)置初始值額語句

特性：局部于管程的數(shù)據(jù)只能被局部于管程內(nèi)的過程所訪問；一個進程只有調(diào)用管程內(nèi)過程才能進入管程訪問共享數(shù)據(jù)；每次運行一個進程在管程內(nèi)執(zhí)行某個內(nèi)部過程

同步問題:

• 生產(chǎn)者--消費者問題

• 讀者--寫者問題

• 哲學(xué)家進餐問題

• 吸煙者問題

硬件方法實現(xiàn)進程同步不能實現(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(chǎn)生原因：

爭用系統(tǒng)資源

進程推進順序非法

死鎖產(chǎn)生的必要條件，只要一個不滿足，死鎖就不會發(fā)生

互斥條件

不剝奪條件

請求并保持

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個必要條件之一即可

死鎖避免

系統(tǒng)安全狀態(tài)：允許進程動態(tài)申請資源，但系統(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)進入不安全的狀態(tài)，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(dāng)于貸款。OS按規(guī)則為進程分配資源。當(dāng)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(dāng)前申請量分配資源，否則推遲分配。當(dāng)進程執(zhí)行中繼續(xù)申請資源，測試當(dāng)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(xiàn)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(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化的。

死鎖解除：

資源剝奪法

撤銷進程法

進程回退法