计算机考研408 - 操作系统 - 核心知识点总结 - 第二章进程与线程（23考研408大纲）

操作系统 - 核心知识点总结 - 第二章进程与线程

1.进程的基本概念

1）进程：即程序（静态代码）在一个数据集上的一次运行，是资源分配的基本单位。由程序段，数据段，pcb组成

2）pcb（进程控制块）：是操作系统感知进程的唯一标识。pcb的组成包含：
（1）进程信息：进程id，进程状态，进程优先级等
（2）资源信息：代码段指针，数据段指针，堆栈段指针，文件描述符等
（3）处理机信息（cpu上下文）：即为各种寄存器的值

3）进程控制（操作系统通过原语实现对进程的控制，下述为原语操作流程）
（1）创建操作：为进程分配pcb，分配进程所需资源（不分配cpu），初始化pcb，将进程插入就绪队列
（2）终止操作：根据进程标识符找到pcb，终止进程，终止其子孙进程，回收所有资源，删除进程pcb
（3）阻塞操作：根据进程标识符找到pcb，保存进程上下文到其pcb，插入阻塞队列
（4）唤醒操作：根据进程标识符找到pcb，将进程置为就绪态，插入就绪队列，等待分配cpu

4）进程的通信（3种方式）
（1）共享存储：通过共享的内存空间进行通信
（2）消息传递（一种系统调用）：分为直接通信（直接将消息挂到进程的消息缓冲队列），间接通信（通过一种称为信箱的中介进行通信）
（3）管道通信：一种特殊的文件，存放在内存，半双工通信方式（即任一时刻仅能一个方向），不能同时读写，大小通常为4KB，写满则会阻塞写进程，要等到数据全部被读完才能继续写

5）进程（线程）的状态

2.线程

1）线程：又称轻量级进程，无独立的地址空间，同个进程内的线程共享进程的地址空间，基本不占有系统资源（除了一些线程私有指针），能共享所在进程的所有资源，是调度的基本单位

2）线程的实现
（1）内核级线程KLT：由操作系统提供，线程的切换需要用户态/核心态的转换
（2）用户及线程ULT：通过线程库实现（实质上就是通过程序模拟），可以在不支持线程的操作系统上实现，进程仍是系统调度的基本单位，由进程自行决定将获得的cpu分配给哪个线程，操作系统无感知

3.处理机（进程）调度

1）上下文切换：上下文即cpu中各种寄存器的值（cpu主要有两部分组成，分别为，运算器：包含通用寄存器组，程序状态字寄存器（也称标志寄存器）psw，变址寄存器，基址寄存器等；控制器：包含pc，IR寄存器，MAR寄存器，MDR寄存器等。可以结合计算机组成原理第5章进行理解），在进程切换时必定会引起cpu上下文的切换

2）上下文切换过程
（1）保存上下文到当前进程的pcb
（2）将当前进程插入就绪、阻塞队列
（3）选择新的进程，更新其pcb
（4）刷新上下文

3）调度程序（调度器）组成：排队器，分派器，上下文切换器
4）调度的时机
（1）非剥夺方式：在进程运行结束，或者进程发生阻塞、异常时进行调度
（2）剥夺方式：在某进程处理中断返回时，进行cpu调度。
不允许进程调度的时机：中断处理过程，原语操作过程。注意：当进程在临界区时，允许将cpu分配给其他进程，但是其他进程若要进入相同的临界区则会被阻塞（真题考察过）

5）闲逛进程：当操作系统中没有就绪进程等待cpu时，则会运行闲逛进程，防止系统冻结（查过是这个原因但是没有深究）。当有进程进入就绪队列，闲逛进程则马上让出cpu，插回就绪队列。闲逛进程只有就绪和运行两种状态

6）进程调度算法
（1）先来先服务FIFS：按先来先服务的原则进行进程调度，有利于长作业/cpu密集型作业，不利于短作业/IO密集型作业。但是十分公平，不会引起进程的饥饿现象
（2）优先级调度算法：分为静态优先级（创建进程时确定优先级，运行期间不再改变）；动态优先级（运行期间可以发生改变，一般的计算方法为等待时间越久优先级越大，占用cpu时间越长优先级越低）
（3）高响应比调度算法：响应比=（运行时间+等待时间）/运行时间。对短作业，或者等待时间较长的进程，有较高的响应比
（4）短作业优先调度算法SJF：优先调度运行时间最短的进程，对比其他调度算法具有最小的平均等待时间和平均周转时间（结论，真题考过）
（5）时间片轮转调度算法RR：每次为一个进程分配一个时间片的cpu，属于剥夺式调度算法，能较好的满足用户的交互性要求，但会频繁的进程上下文切换，效率较低
（6）多级反馈队列调度算法：操作系统设置多个优先级不同的就绪队列，每个队列可以使用不同的调度算法，当进程在优先级较高的队列的一次调度无法完成时，则插入优先级较低的队列继续等待cpu。只有当优先级高的队列均为空时，才会去调度优先级低的队列中的进程。

4.同步与互斥

1）临界资源：即操作系统中需要互斥访问（即任一时刻只能有一个进程使用）的资源（如打印机，缓冲区等）

2）临界区：进程中访问临界资源的那段代码

3）临界区应遵循的规则
（1）空闲让进
（2）忙则等待
（3）有限等待：即进程应在有限的时间内进入临界区
（4）让权等待：即进程无法进入临界区时主动让出cpu。其中1-3必须实现，而4不是实现临界区的强制性要求。

4)实现临界区互斥的基本方法
（1）软件实现：分为，
1.单标志法：通过一个整形变量，指定下一次准入的进程，不满足空闲让进
2.双标志先检查法：通过扫描另一进程的flag判断另一个进程是否想要进入临界区，若另一进程不需要进入临界区，则将自己的flag置为1，表明将要进入临界区。注意：在机器指令层面，有可能是按照序号1,2,3,4的顺序执行（执行一条就切换到另一个进程），从而导致临界区不满足“忙则等待”的原则
3.双标志后检查法：先置自己的flag表明当前进程想要进入临界区，再扫描另一进程的flag。有可能导致两个进程都无法进入临界区（即两个进程先后分别将自己的flag置为true，然后两个都卡在while循环处），从而导致进程饥饿

4.Peterson算法：单标志法和双标志后检查法的结合，能正确实现临界区的互斥（注意上述1-3不能完全实现临界区的互斥），但未实现让权等待

（2）硬件指令实现：通过关中断实现（关中断后，无法进行进程的切换，因此当前进程能独占临界资源，从而实现互斥）；通过testandset硬件指令实现；通过swap硬件指令实现

（3）通过pv操作实现：pv操作是一种系统原语，不是系统调用

5）进程的经典同步互斥问题
（关键要会根据经典模型，结合题目要求进行pv操作的安排，以及确定信号量，可以当成一道小代码题，实质就是通过pv操作实现进程的同步与互斥）
（1）生产者-消费者模型：模型简化为临界区需要互斥访问，且生产者-消费者之间存在同步关系。因此需要定义3个信号量，一个信号量用于临界区的互斥访问，且临界区有大小限制时，需要另外2个信号量用于进程同步以及控制临界区大小（若仅用一个信号量虽然可以实现同步，但无法控制临界区大小）
（2）读者-写者模型：读读共享，读写互斥，写写互斥。需要一个信号量mutex实现临界区互斥，然后为了实现读读共享，需要通过一个计数值，记录读进程个数，而这个计数值同样需要互斥访问，因此还需要一个信号量
（3）哲学家进餐模型：核心思想类似于防止死锁所需要的最少资源数这类题型，可以设想有n位哲学家，只需要最多允许n-1个哲学家竞争筷子，则一定会有一个顺利完成，然后释放资源，则其他进程也能顺利完成

6）管程
若由用户通过代码执行pv操作，十分容易造成死锁，因此将对临界资源的管理交由管程实现，能减少死锁出现的可能。注意：管程不经能实现进程的互斥，也能实现进程的同步。
（1）管程的组成：1.管程名称；2.对共享资源的抽象数据结构；3.对抽象数据结构的操作语句；4.设置初值语句
（2）条件变量：实质就是一个阻塞队列，用于配合管程管理需要阻塞的进程。不同的条件变量可以对应不同的阻塞原因。条件变量提供wait（）和signal（）两种操作，wait（）操作是进程在知道有其他进程在访问管程的时候，自行调用将自己插入对应的条件变量；而signal（）是访问管程的进程在退出管程时，用于将在条件变量的进程唤醒。注意：条件变量中的wait（）和signal（）操作不同于信号量的wait（）和signal（）操作（即pv操作），原因是条件变量中的wait（）和signal（）操作不会对共享资源的数量++或–，而pv操作会对临界资源的数量进行++或–

5.死锁

1）死锁：即进程间由于资源竞争，或者进程推进顺序不正确，所导致的一种系统僵持局面。注意：死锁所牵涉的进程数量一定 >= 2个，仅一个进程自己不可能发生死锁。

2）产生死锁的4个必要条件
（1）互斥：解决方法，通过诸如spooling等技术，将设备改为共享设备
（2）不可剥夺
（3）请求与保持：解决方法，一次分配给进程其所需要的所有资源
（4）循环请求：解决方法，给资源编号，仅允许进程按编号递增的方式申请资源

3）死锁的避免
（避免系统进入不安全状态，只要系统处于安全状态，则一定不会发生死锁；但是当系统处于不安全状态时，可能会发生死锁；死锁则一定为不安全状态）
银行家算法：根据题目分析出各种可用资源个数，查找是否存在安全分配序列

4）死锁的检测与解除
（1）死锁检测：通过资源分配图，判断资源分配图能否完全化简，若能完全化简则系统没有发生死锁，否则发生死锁。什么是资源分配图的完全化简？就是根据进程的请求，先满足某个进程，然后删除该进程以及其所连接的边（申请边/分配边），对所有进程逐一完成上述操作，若所有进程都能满足需求，则称资源分配图能完全化简

2）死锁解除方法：1.资源剥夺法；2.进程回撤法；3.进程撤销法