[ 操作系统 ] 第二章 —— 进程管理

进程管理

进程与线程

概念

定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

组成：

1. PCB：进程存在的唯一标志。PID不同。
2. 程序段：存放程序代码。
3. 数据段：存放程序运行中的数据。

组织形式：

1. 链接方式：按照进程状态将PCB分为多个队列，链表连接方式。
2. 索引方式：按照进程状态建立不同的索引表，表项指向PCB。

特征：

1. 动态性：最基本的特征。
2. 独立性：进程是系统进行资源分配、调度的独立单位。
3. 异步性、并发性、结构性。

进程状态

三种状态：运行状态、就绪状态、阻塞状态。

状态转换：

1. 不存在由（阻塞态——>运行态）和（就绪态——>阻塞态）的转换。
2. （运行态——>阻塞态）是主动的过程，（阻塞态——>就绪态）是被动的过程。

进程控制

概念：

1. 通过进程控制来实现进程状态转换。
2. 原语需要一气呵成，不可中断。关中断、开中断。

相关原语：创建、终止、阻塞、唤醒、切换。

进程通信

共享存储：设置一个共享空间，但需要保证进程的互斥访问。

1. 基于数据结构的共享：只能存储某种数据结构的数据。
2. 基于存储区的共享：高级共享。

管道通信：设置一个管道，即缓冲区，进行读写操作。

1. 进行半双工通信（单向），互斥访问。
2. 写满时，不能再写。读空时，不能再读。
3. 没写满，不能读。没读空，不能写。

消息传递：结构化消息，含消息头（发送方、接收方等进程信息）、消息体。

1. 直接通信方式：消息挂到接收方的消息队列中。
2. 间接通信方式：发到信箱。
3. 使用发送/接收原语。

线程

线程属性：

1. 线程成为CPU分配的基本单位，进程是资源分配的单位。
2. 同一进程的不同线程共享资源，共享内存地址空间，不需要系统干预。
3. 同一进程内的线程切换不会引起进程的切换。
4. 也有就绪、阻塞等状态。

实现方式：

1. 用户级线程 ；多对一模型：一个线程阻塞，会导致整个进程都被阻塞。
2. 内核级线程 ；一对一模型：一个用户级线程对应一个内核级线程

本节错题

1. 优先级可以分为静态和动态两种，动态优先级可根据运行情况随时调整，而不是不可改动的。

2. 系统发生死锁时，有可能进程全都处于阻塞态，或无进程任务。因此，并非任何时刻都有进程处于运行态。

3. 程序是静态的，进程是动态的。不可将两者相互描述。

4. 新进程进入就绪态，不会导致运行态转变为其他状态。

5. 进程的就绪数目越多，争夺CPU的进程就越多，但只要就绪队列不为空，CPU就总是可以调度进程运行，保持繁忙。这与就绪进程的数目没有关系，除非就绪队列为空，此时CPU进入等待态，导致CPU的效率下降。

6. 由于引入线程后，线程变为处理机调度的基本单位，因此，同一进程或不同进程的线程都可以并发执行。

7. 降低进程优先级的时机：进程的时间片用完。提高优先级的时机：进程完成IO操作进入就绪队列、长期处于就绪状态。

8. 进程被唤醒，进入就绪状态，而不是运行态。优先级可能被适当提高。

9. 进程可以创建进程或线程，线程也可以创建线程，但线程不能创建进程。

处理机调度

概念

调度：从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程，并将CPU分配给他。

三种调度：

1. 高级调度（作业调度）：选择合适的作业调入内存。（外存 ==》内存，面向作业）
2. 中级调度（内存调度）：从挂起的队列中选择合适的进程调入内存。（外存 ==〉内存，面向进程）
3. 低级调度：为进程分配处理机。

进程调度

进程调度的主动与被动：

1. 主动放弃：进程正常终止、运行过程中发生异常而终止、主动阻塞。
2. 被动放弃：时间片用尽、优先级更高的进程、更紧急的进程。

不能进行进程调度：进程在操作系统内核程序临界区；处理中断；原语过程。

评价指标

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量。

[系统吞吐量 = frac{总共完成了多少道作业}{总共花了多少时间} ]

周转时间：从作业被提交给系统，到最后完成为止的时间间隔。

带权周转时间：值越小，满意度越高。必然>=1。

[周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间 \ 平均周转时间 = frac{各作业周转时间之和}{作业数}\ 带权周转时间 = frac{作业周转时间}{作业实际运行时间}\ 平均带权周转时间 = frac{各作业带权周转时间和}{作业数} ]

调度算法

先来先服务FCFS：按照到达的先后顺序调度，事实上就是等待时间越久的越优先得到服务。

优点：公平、算法实现简单。非抢占式。

缺点：对长作业有理，对短作业不利。

短作业优先SJF：最短的作业或进程得到服务。如果运行时间相同，则选择先到达的进程运行。

最短剩余时间优先：比较新进程和正在运行的进程的剩余时间。（抢占式）

缺点：对短作业有利，长作业不利。会导致饥饿现象，源源不断的短作业等，则长作业长时间得不到服务。

高响应比优先HRRN：不会导致饥饿。

[响应比 = frac{等待时间+要求服务时间}{要求服务时间} ]

时间片轮转RR：

1. 轮流让各个进程执行一个时间片，若在一个时间片内未执行完成，则剥夺处理机。
2. 用于进程调度。（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片）
3. 抢占式算法；时钟中断宣布时间片到。
4. 在运行过程中，如果同一时刻，既有进程下处理机，又有新进程到达，则默认新到达的进程先进入就绪队列。
5. 如果时间片太大，时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，会增大进程相应时间。时间片太小，又会导致进程切换过于频繁。
6. 不会导致饥饿。

优先级调度算法：

1. 每个作业、进程都有各自的优先级，调度时选择优先级高的。
2. 如果进程在就绪队列等了太长时间，可以适当提高其优先级。如果一个进程频繁进行IO操作，可以适当提高。
3. 优点：用优先级区分紧急程度，适用于实时操作系统。可灵活地调整对各个作业的偏好程度。
4. 会导致饥饿。

多级反馈队列调度算法：

1. 用于进程调度；抢占式算法。
2. 设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。
3. 若用完时间片，进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾。
4. 只有第k级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片。
5. 被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾。
6. 会导致饥饿。源源不断短进程到达，被降级的优先级会长期得不到服务。

进程同步与互斥

概念

进程同步：进程的直接制约关系，各个进程的工作推进需要遵循一定的先后顺序。

进程互斥：对临界资源的访问，需要互斥的进行。即同一时间段内只能允许一个进程访问该资源。

1. 进入区检查并上锁。退出去解锁。
2. 临界区访问临界资源的代码。剩余区时其余代码部分。
3. 遵循原则：空闲让进、忙则等待、有限等待、让权等待（while循环等待）。

进程互斥的软件实现方法

单标志法：

1. 两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限交给另一个进程。
2. 根据例子可知，尽管临界区是空闲的，也有可能出现不允许另一进程访问的情况。
3. 违背了空闲让进的原则。

双标志先检查法：

1. 设置一个bool数组，数组中各个元素用来标记各进程是否想要进入临界区。flag[0]=true意味着0号进程现在想要进入临界区。
2. 由于异步性，可能会导致进程同时访问临界区。违背了忙则等待原则。
3. 原因在于：进入区的检查和上锁的处理不是一气呵成的。

双标志后检查法：

1. 由于异步性，可能导致进程都无法进入临界区。
2. 解决了忙则等待原则，但是又违背了空闲让进和有限等待的问题。会产生饥饿现象。

Peterson算法：

1. 进入区：主动争取、主动谦让，检查对方是否谦让。
2. 不遵循让权等待原则，会发生忙等。

进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽：“开/关中断指令”的实现。

缺点：

1. 不适合多处理机。比如现有某一进程正在访问临界区，而另一进程正在运行且需要访问同一临界区，就会导致冲突。
2. 只适用于内核进程，不适用于用户进程。因为两指令权限很大。

TestAndSet：

1. TSL指令是用硬件实现的，执行过程不允许被中断，只能一气呵成。
2. 缺点：不满足让权等待原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致忙等。
3. 记录以前的lock值，修改lock值。

swap指令：逻辑上和TSL相同。

信号量机制

整型信号量：该整数表示某一资源的可用数量。

记录型信号量semaphore：

1. P操作：该进程请求一个单位的资源，先执行value--，若结果<0，说明该资源之前已经分配完毕，因此该进程需要调用block原语进行自我阻塞，即从当前运行的进程从（运行态 --> 阻塞态），主动放弃处理机，并插入该类资源的等待队列中。
2. V操作：释放一个单位的资源，先执行value++，若结果<=0，说明此时仍然有进程在等待该类资源，应调用wakeup原语唤醒等待该资源的进程。（阻塞态 --> 就绪态）

信号量实现互斥、同步

互斥实现步骤：

1. 分析并发进程的关键活动，划定临界区。（比如说打印机是需要互斥访问，这类资源就应该放在临界区）
2. 设置互斥信号量mutex，初值为1。（信号量的名字可以任意设置。而具体的值，则是根据资源数量而设置）
3. 在临界区之前执行P(mutex)。
4. 在临界区之后执行V(mutex)。

注意：

1. 对不同的临界资源，需要设置不同的互斥信号量。
2. P、V操作需要成对出现。缺少P导致不能保证资源的互斥访问。缺少V导致资源不被释放，进程不被唤醒。

同步实现步骤（需要一前一后执行的操作）：

1. 分析什么地方需要实现同步关系。
2. 在“前操作”之后执行V(S)
3. 在“后操作”之前执行P(S)

注意：

1. 执行完P、V操作后，S的结果还是0。
2. 如果先执行P操作，会主动阻塞。然后在V操作中执行wakeup原语唤醒该阻塞进程。
3. 如果先执行V操作，执行P操作时就知道，此时有可用资源。

实现前驱关系：

1. 要为每一对前驱关系各设置一个同步变量。 S1 ---> S2; S1 ---> S3....
2. 根据自身情况，执行相应的P、V操作。

生产者-消费者问题

生产者消费者问题是一个互斥、同步的综合问题。

解题要点：

1. 两对同步关系：有时候是消费者需要等待生产者生产、有时候是生产者要等待消费者消费。因此是两个同步信号量。

   

   如图所示，实际上，full 和 empty的名字不是我们的关注点。问题在于，根据箭头方向，决定两者的前后顺序。

2. 一对互斥关系：对于临界区的访问，通常是为 1 的。

3. 注意实现互斥和同步的两个P操作的先后顺序。如果任意的交换位置，可能会导致死锁现象，即相互等待。

多生产者-多消费者问题

1. 不设置专门的mutex，也不会出现多个进程同时访问盘子的现象的原因：

答：当缓冲区的大小为1时，在任何时刻，多类同步信号量中最多只有一个是1，所以最多只有一个进程的P操作不会被阻塞，并且顺利地进入临界区。

2. 如果把盘子（缓冲区）数量改成>=2：

   答：如果没有mutex，可能会导致缓冲区数据覆盖的情况，即两个进程同时访问同一块缓冲区。

3. 要把对“行为动作”的分析转变成对事件的分析。 盘子变空 ===》放入水果。（不是很明白）

吸烟者问题

假设一个系统有三个抽烟者进程和一个供应者进程。

同步关系：四个同步关系。

互斥关系：桌子可以抽象为容量为1的缓冲区。且有三种组合。

这里我有点疑问。为什么producer的P操作不是放在if语句之前。

读者-写者问题

问题描述：

1. 允许多个读者同时对文件执行读操作。
2. 只允许一个写者往文件中写信息。
3. 任一写者在完成写操作之前不允许其他读者或写者工作。
4. 写者执行写操作前，应让已有的读者和写者全部退出。

主要思想：

1. 其核心思想在于设置了一个计数器count用来记录当前正在访问共享文件的读进程数。我们可以用count的值来判断当前进入的进程是否是第一个（进行加锁）/最后一个（进行解锁）进程。
2. 又由于count变量的检查和赋值不能一气呵成，从而导致某些错误，因此要借助互斥信号量。

哲学家问题

问题描述：

1. 哲学家进餐问题的关键在于解决进程死锁：进程之间只存在互斥关系，而此时每个进程都需要同时持有两个临界资源，因此就有死锁的可能。
2. 对于解决方案：各哲学家拿筷子这件事必须互斥的进行。这就保证了即使一个哲学家在拿筷子拿到一半时被阻塞，也不会有别的哲学家会继续尝试拿筷子。这样的话，当前正在吃饭的哲学家放下筷子后，被阻塞的哲学家就可以获得等待的筷子了。

管程

管程的引入：解决信号量机制编程麻烦的问题，更好地实现同步互斥。

基本特征：

1. 管程中需要定义共享数据结构，对其初始化，再定义一组用来访问该结构的函数。
2. 各外部进程/线程只能通过管程提供的特定入口才能访问共享数据。
3. 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程。

补充：

1. 这种互斥特性是由编译器负责实现的。
2. 可在管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。

死锁

概念

死锁、饥饿、死循环：

共同点：都是进程无法顺利向前推进

不同点：

1. 死锁是“循环等待对方手里的资源”导致。因此必须要有两个或两个以上的进程同时发生死锁。发生死锁的进程一定处于阻塞态。
2. 饥饿可能只有一个进程发生饥饿。发生饥饿的进程即可能是阻塞态（等待io设备），也可能是就绪态（长期得不到处理机）。
3. 死循环是被管理者的问题，是可以上处理机上运行的。死锁和饥饿是管理者进行调度方案不佳的问题，处于核心态。

死锁产生的必要条件：

1. 互斥条件：对必须互斥使用的资源争抢。
2. 不剥夺条件：只能是进程主动释放资源，不可剥夺。
3. 请求和保持条件：保持某种资源不放的同时，请求别的资源。
4. 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链条。循环等待未必死锁。

处理死锁的策略：

1. 预防死锁：破坏产生条件。
2. 避免死锁：避免系统进入不安全状态。
3. 死锁的检测和解除：允许死锁发生，系统负责检测出死锁并解除。

预防死锁

四种方法与各自缺点

破坏互斥条件	方法	缺点
破坏不剥夺条件	申请资源得不到满足时，立即释放拥有的所有资源；申请的资源被其他进程占用时，由操作系统协助剥夺。	可行性不高。
破坏请求和保持条件	运行前分配好所有需要的资源，之后一直保持。	剥夺资源可能导致部分工作实效；反复申请和释放导致系统开销大；导致饥饿。
破坏循环等待条件	给资源编号，必须按编号从小到大的顺序申请资源。	资源利用率低；可能导致饥饿。
破坏互斥条件	将临界资源改造为可共享使用的资源（SPOOLing技术）。	不方便增加新设备；会导致资源浪费。

避免死锁

银行家算法步骤：

1. 检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数。
2. 检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求。
3. 试探分配，修改数据结构
4. 用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不确定状态。

安全性算法步骤：

1. 检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，则将他加入安全序列，并把该进程持有的资源全部回收。
2. 不断重复上述过程，看最终是否能让所有进程都加入安全序列。

系统处于不安全状态未必死锁，但死锁一定处于不安全状态。

死锁的检测和解除

死锁检测算法：

1. 依次消除与不阻塞进程相连的边，直到无边可消，求出安全序列。
2. 若资源分配图时不可完全简化的，说明发生了死锁。

死锁的解除：

1. 资源剥夺法：挂起死锁进程，并抢占它的资源。
2. 撤销进程法：强制撤销部分或全部进程。又可能导致功亏一篑。
3. 进程回退法：让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步。这需要系统记录进程的历史信息，设置还原点。