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1、进程的基本概念

1. 程序：静态的，存在磁盘中的可执行文件，是一系列执行的集合。
2. 进程：动态的，程序的一次执行过程。
3. 进程的组成：PCB（进程控制块）、数据段、程序段
   
   PCB是给操作系统使用的；程序段和数据段是进程自己使用的，与进程自身的运行逻辑有关。
4. 进程的特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性。

2、进程的状态

2.1、进程状态的变化

①操作系统为进程分配资源，初始化PCB②进程获得CPU资源，进入运行状态③因时间片轮转或进程主动让出CPU或CPU被优先级更高的进程抢占，而进入就绪状态④因等待某一事件而暂时不能运行或发生了系统调用（主动行为），而进行进入阻塞状态⑤等待的事件发生或系统调用完成（被动行为），而进入就绪状态⑥进程运行结束或发生不可修复的错误，而进入终止状态

2.2、进程的组织

1. 链接方式：按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针。
2. 索引方式：根据进程状态的不同，建立多张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针。

2.3、进程控制

1. 进程状态的转换通过原语实现，原语用关中断指令和开中断指令实现，关中断指令和开中断指令之间的指令执行完不会进行中断信号检测。原语是一种特殊的内核程序，不可中断。
2. 进程状态的转换可分为三个步骤：更新PCB中的信息、将PCB插入合适的队列、分配/回收资源（不一定有）

3、进程通信（进程之间的信息交换）

3.1、进程通讯之共享存储

1. 基于数据结构的共享存储：速度慢，限制多，一种低级的通讯方式
2. 基于存储区的共享存储：速度快，一种高级的通讯方式
3. 进程对共享空间的访问必须是互斥的（通过P/V操作）

3.2、进程通信之管道通信（缓冲区）

1. 半双工通信，同一时间只能实现单向传输
2. 各进程对管道的访问是互斥的
3. 管道写满时，阻塞等待读操作；管道读空时，阻塞等待写操作
4. 管道没写满，不允许读；管道没读空时，不允许写

3.3、管道通信之消息传递

1. 直接通讯方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
2. 间接通讯方式：消息先发送到中间实体（信箱，由操作系统维护），再由信箱分发到接收进程
3. 消息传递通过发送原语和接收原语实现

4、线程

4.1、线程的基本概念

1. 有些进程需要"同时"做多件事，故而需要引入线程
2. 线程是一个基本的CPU执行单元
3. 同一进程的不同线程间共享进程的资源
4. 同一进程中的线程间通讯不需要操作系统的干预

4.2、线程的两种实现方式

用户级线程

1. 通过代码逻辑实现，不是操作系统完成的，操作系统不可见，由线程库实现。
2. 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞；多个用户级线程无法在多核处理机上并发运行。

内核级线程

1. 内核级线程的管理工作是由操作系统内核完成的
2. 缺点：内核级线程的切换由操作系统内核完成，需要进程用户态和内核态的切换，耗费资源。

4.3、多线程模型

一对一模型

• 一个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理成本高

多对一模型

• 多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理成本较低，当一个用户级线程被阻塞后，整个进程被阻塞，且无法在多核处理机上并发运行

多对多模型

• n个用户级线程映射到m个内核级线程（n>=m），折中方案

5、调度

5.1、三层调度

高级调度（作业调度）

• 从后备队列中选择合适的作业将其调入内存，并创建进程
• 进程状态的变化：无 -> 创建态 -> 就绪态
• 存储变化：外存 -> 内存

中级调度（内存调度）

• 从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存
• 进程状态的变化：（就绪/阻塞）挂起态 -> 就绪态/阻塞态
• 存储变化：外存 -> 内存

低级调度（进程调度）

• 从就绪队列中选择一个进程为其分配CPU资源
• 进程状态变化：就绪态 -> 运行态
• 存储变化：内存 -> CPU

5.2、进程调度

• 进程调度的时机：进程正常终止、进程运行过程中发生异常、进程主动请求阻塞（I/O请求）、时间片用完、发生中断、有优先级更高的进程进入就绪队列
• 无法进行进程调度的情况：处理中断的过程中、进程处于操作系统内核程序的临界区中、在原子操作的过程中(原语)
• 进程调度的方式：非剥夺调度方式(非抢占式)、剥夺调度方式(抢占式)

5.3、调度算法评价指标

CPU利用率 = 工作时间/总时间系统吞吐量 = 单位时间内完成作业的数量周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间平均周转时间 = 各周转时间之和/作业数带权周转时间 = 作业周转时间/作业实际运行时间

5.4、调度算法

先来先服务算法（FCFS）

• 特点：非抢占式、公平算法、实现简单、对长作业有利、对短作业不利、不会出现饥饿现象

短作业优先算法（SJF）

• 非抢占式：可得到最短的平均等待时间、平均周转时间，非公平算法，对短作业有利，对长作业不利，可能出现饥饿现象
• 抢占式（最短剩余时间优先算法）：非公平算法，对短作业有利，对长作业不利，可能出现饥饿现象

高响应比优先算法（HRRN）

• 响应比 = （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间
• 特点：非抢占式，只有当前运行的进程主动放弃CPU资源，才需进行调度，调度时，计算所有就绪进程的响应比，选择响应比最高的进程。

时间片轮转（RR）

• 按照各进程到达就绪队列的顺序，轮转让各个进程执行一个时间片。
• 特点：抢占式，公平算法，响应快，由于高频率的进程切换，会有一定的开销，不会出现饥饿现象

优先级调度算法

• 抢占式：当就绪队列发生改变时，需要检查是否进行抢占。
• 非抢占式：只有当前运行的进程主动放弃CPU资源，才需进行调度。

多级反馈队列调度算法

• 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间分从小到大
• 新进程到达时，进入第一级队列，安装先来先服务算法进行调度
• 若用完时间片进程还未结束，则进入下一级队列等待，若此时已经在最后一级队列，则放回原队列
• 只有第k级队列为空时，第k+1级队列中的进程才有机会运行
• 被抢占的进程重新放回原队列的队尾
• 可能产生饥饿现象

6、进程的同步与互斥

6.1、进程同步

• 进程具有异步性，各并发执行的进程以各自独立的，不可预知的速度向前推进，当需要进程按一定的次序推进时，就需要进程的同步机制来实现。

6.2、进程互斥

• 各并发执行的进程对部分共享资源的访问需要是互斥的。
• 临界资源的访问
  进入区：检查是否可以进入临界区，若可进入，进行“上锁”
  临界区：访问临界资源
  退出区：负责“解锁”
  剩余区：其余代码部分
• 对临界区进行访问需要遵循的原则
  ①空闲让进
  ②忙则等待
  ③有限等待（避免饥饿）
  ④让权等待（CPU资源）

6.3、进程互斥的软件实现方法

单标志法

• 两个进程在访问完临界资源后，会把临界区的使用权交给另一个进程。每个进程的使用权只能由其他进程赋予。
• 缺点：同一时刻最多只允许一个进程访问临界区；违背了“空闲让进”的原则，当p1进程使用完临界区后，将使用权交给了p2进程，但是p2进程并没有使用，此时p1进程无法再次进入临界区。
• 伪代码

int turn = 0; // 标志当前拥有使用权的进程号/* ======== p0进程 ========*/{   	while (turn != 0); // 进入区	使用临界区资源; // 临界区	trun = 1; // 退出区	其余代码部分; // 剩余区}/* ======== p1进程 ========*/{   	while (turn != 1); // 进入区	使用临界区资源; // 临界区	trun = 0; // 退出区	其余代码部分; // 剩余区}

双标志先检查法

• 设置一个布尔型数组，各元素标记各进程想进入临界区的意愿，flag[0] = true
  表示0号进程想进入临界区，每个进程进入临界区之前先检查是否有其他进程想进入临界区，没有则把自身标记设置为true，之后开始访问临界区
• 缺点：由于进入区的“检查”和“上锁”操作不是原子性的，并发运行上，可能会出现违背“忙则等待”原则的情况
• 伪代码

boolean flag[2]; // 表示各进程进入临界区的意愿/* ====== p0进程 ====== */while (flag[1]); // 进入区，检查其他进程进入临界区的意愿flag[0] = true; // 进入区，上锁使用临界区资源; // 临界区flag[0] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区/* ===== p1进程 ===== */while (flag[0]); // 进入区，表示个进程进入临界区的意愿flag[1] = true; // 进入区，上锁使用临界区资源; // 临界区flag[1] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区

双标志后检查法

• 设置一个布尔型数组，各元素标记各进程想进入临界区的意愿，flag[0] = true
  表示0号进程想进入临界区，每个进程进入临界区之前先把自身标记设置为true，再检查是否有其他进程想进入临界区，没有则开始访问临界区。
• 缺点：由于进入区的“检查”和“上锁”操作不是原子性的，并发运行上，可能会出现违背“空闲让进”原则和“有限等待”原则的情况
• 伪代码

boolean flag[2]; // 表示各进程进入临界区的意愿/* ====== p0进程 ====== */flag[0] = true; // 进入区，表达意愿，上锁while (flag[1]); // 进入区，检查其他进程进入临界区的意愿使用临界区资源; // 临界区flag[0] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区/* ===== p1进程 ===== */flag[1] = true; // 进入区，表达意愿，上锁while (flag[0]); // 进入区，检查其他进程进入临界区的意愿使用临界区资源; // 临界区flag[1] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区

Peterson算法

• 结合了单标志法和双标志法的思想
• 缺点：未遵循“让权等待”的原则
• 伪代码

boolean flag[2]; // 表示各进程进入临界区的意愿int turn = 0; // 表示优先进入临界区的进程/* ====== p0进程 ====== */flag[0] = true; // 进入区，表达意愿，上锁turn = 1; // 表示谦让while (flag[1] && turn == 1); // 进入区，检查其他进程进入临界区的意愿使用临界区资源; // 临界区flag[0] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区/* ===== p1进程 ===== */flag[1] = true; // 进入区，表达意愿，上锁turn = 0; // 表示谦让while (flag[0] && turn == 0); // 进入区，检查其他进程进入临界区的意愿使用临界区资源; // 临界区flag[1] = false; // 退出区，解锁剩余操作; // 剩余区

6.4、进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法

• 利用关中断指令与关中断指令
• 缺点：不适用于多核处理器系统；由于关中断指令和开中断指令是特权指令，只适用于内核进程。
• 代码逻辑

关中断指令;访问临界区资源;开中断指令;...

TestAndSet指令

• 简称TS、TSL指令，硬件实现，执行过程不可中断
• 缺点：未遵循“让权等待”原则

swap指令

• Exchange指令，类似TestAndSet指令，硬件实现，执行过程不可中断

7、信号量机制

• 信号量：一个变量，用于表示某种系统资源的剩余数量
• 一对原语：通过wait原语和signal原语对信号量进行操作，wait表示当前需要信号量，信号量不足则阻塞等待；signal表示释放当前进程拥有的信号量。wait与signal也简称PV操作
• 整型信号量：用一个整型变量表信号量，不遵循“让权等待”原则
• 记录型信号量：用一个数据结构表示信号量，数据结构中至少有剩余资源数和等待队列两个变量，剩余资源数为负时表示有进程处于等待队列

8、管程

• 高级同步机制，一种特殊的软件模块
• 定义

1）共享数据结构2）对共享数据结构操作的一组过程3）对共享数据结构初始化的语句4）管程需要一个名字

• 特点

1）每次只允许一个进程在管程内执行一个过程2）只能通过过程访问共享数据结构

9、死锁

• 在并发环境下，各进程因竞争资源而造成一种相互等待对方持有的资源，导致各进程都阻塞的现象
• 死锁的四个条件

1）互斥条件2）不剥夺条件3）请求和保持条件4）循环等待条件（发生循环等待不一定产生死锁）

• 通过破坏四个条件预防死锁

1）破坏互斥条件：SPOOLING技术，将互斥资源变为共享资源，局限性较大。2）破坏不可剥夺条件：发生阻塞时，释放持有的资源3）破坏请求和保持条件：一次性请求所有资源4）破坏循环等待条件：使用顺序资源分配法，将资源进行编号，先申请编号小的资源

• 避免死锁

1）安全序列：系统按照一定的序列分配资源，每个进程都能顺利执行，则称这个序列为安全序列2）核心思想：在进程提出资源请求时，先预判此次分配是否会导致系统进入不安全状态，如果会，则暂不答应这次请求，让该进程阻塞等待

• 死锁的检测和接触

1）检测：用某种数据结构保存资源的请求和分配信息，提供一种算法，检测系统是否进入了死锁2）解除：a. 资源剥夺法：挂起死锁进程，并抢占它的资源b. 终止进程法c. 进程回退法

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