二、进程管理

引入

1. 程序：源代码程序、目标程序、可执行程序

2. 程序执行：编写、编译、链接、执行

3. 交换：将部分进程换出到外存，腾出内存空间。被换出去的进程处于挂起状态。只有挂起它的进程才能恢复被挂起的进程。

4. 虚拟存储：每个进程只能装入一部分程序和数据

进程描述及控制

1. 进程的概念

申请/拥有资源的单位

程序是静态概念，进程是存在于内存的动态概念，表现为程序的运行

2. 进程的结构

程序

数据集合

进程控制块PCB

PCB是进程存在的唯一标识，PCB代表着进程是不是存在

3. PCB的构成

（1）构成

进程标识信息

处理机状态信息

进程调度信息

其它信息

（2）组织方式

单一队列

通过链表组织成单一队列，适用进程数目不多，否则查找困难。插入、删除都麻烦

表格结构

PCB按照进程状态不同，组织成不同的表：就绪进程表、执行进程表、阻塞进程表

4. 进程的状态

（1）五状态

新建-->就绪

就绪-->被调度-->执行

执行-->时间到-->就绪

执行-->IO等待-->阻塞

执行-->完成-->终止

阻塞-->IO完成-->就绪

（a）某些系统，父进程可任何情况下终止子进程

（b）父进程终止、子进程必须终止

（2）具有挂起的进程状态图

（a）阻塞挂起，当事件发生时，变成就绪挂起

5. 进程的创建

（1）系统为进程分配唯一标识ID，PID

（2）主进程表增加表项，记录进程对应的PCB

（3）为进程分配空间：用户地址空间、用户栈空间、PCB空间。有共享内存，就建立链接

（4）初始化PCB：进程标识、状态

（5）建立链接：插入调度队列

进程调度

1. 调度方式

进程调度方式分为剥夺式和非剥夺两种。

IO阻塞并非剥夺，属于主动放弃CPU

2. 调度类型

长程调度：作业从外存调进来

中程调度：交换出去外存的挂起进程调进来

短程调度：

3. 调度算法

（1）FCFS先来先服务：非剥夺，对短时进程不公平，对IO型不公平。整个等待时间肯定长

（2）短进程优先：非剥夺，但是需要对进程进行排序，而且难以估算进程时间

（3）时间片轮转：分时联机系统，剥夺式，进程切换多，额外开销，时间片大小问题。对短进程有利，不利于IO型进程，中断太多不适合批处理

（4）基于优先级：典型的是剩余时间减少优先级提高、排队时间增加优先级提高。反馈调度法就是很好的一个实现。

（5）反馈调度法：根据历史执行情况进行调整，结合了优先级和时间片轮转调度思想

根据优先级分多个就绪队列，每个队列的时间片递增。

就绪队列0        时间片0         优先级高

就绪队列1       时间片1

...

就绪队列n       时间片n          优先级低

线程

1. 为什么引入线程

为了减少程序并发执行时系统所付出的额外开销，使系统有更好的并发性。比如有些应用场景，必须是多进程/多线程并发才能实现功能的，如果采用进程的话，需要增加创建进程时候的开销，另外就是进程切换的时候，要保护现场等，比线程切换复杂。

线程是进程的一个实体，自身不拥有系统资源，只拥有少许运行中必不可少的私有资源。线程可与同属一个进程的其它线程共享进程的全部资源。

2. 线程状态

就绪、阻塞、执行

一般没有挂起状态：因为挂起是指将程序和数据交换出去外存，而多个线程是共享程序和数据的。

3. 进程与线程区别

（1）进程是资源申请的最小单位，线程是系统调度的最小单位

（2）进程切换开销比线程切换要大，线程具有相同的地址空间，使得线程间通信同步容易

（3）进程有挂起，线程没有

（4）windows、linux采用多进程、多线程技术

           UNIX采用多进程、单线程技术

   java虚拟机采用单进程、多线程技术

   MS DOS采用单进程、单线程技术

4. 用户级线程和内核级线程

这个跟具体操作系统设计有关，而不是应用程序自己决定采用哪种的。

5. 线程阻塞会否造成进程阻塞

（1）如果是线程1等待线程2而阻塞，不会引起进程阻塞

（2）如果是线程1等待IO而阻塞，内核需要启动系统IO，控制从用户级转向内核级，会引起进程阻塞

互斥与同步

1. 同步：协作          互斥：竞争

2. 临界资源：一次只允许一个进程访问的资源。

    临界区：访问临界资源的那段代码

3. 互斥条件

    忙则等待

    有限等待

    空闲让进

    让权等待

4. 死锁和饥饿

5. 实现方法

（1）软件方法

（a）进程严格顺序使用临界区

（b）为临界区设置一个状态标志，“忙”和“空闲”。问题：同时进入了。

（c）先表明要进去，然后再看下对方进去没。问题：都不进去

（d）谦让一段时间，再重新尝试进去

（e）有序谦让

（2）硬件方法

（3）信号量方法

（a）信号量定义

信号量包括如下机构：

count：可用资源数

queue：阻塞进程队列

（b）原语

原子操作，操作系统保证了一次执行不可中断。

    wait（s） ==  P（s）       申请信号量，s--，判断s>=0则进入临界区，否则阻塞，s绝对值表示有多少个被阻塞的进程

signal（s） ==  V（s）       释放信号量，s++，判断s<=0，唤醒一个进程，s绝对值表示有多少个被阻塞的进程

（c）信号量类型

互斥信号量

资源信号量

经典问题

1. 生产者/消费者问题

（1）特点：生产者创建数据，消费者使用数据，用完就没了，消耗型的。生产者可以多个，消费者也可以多个。

（2）生产者消费者共享大小固定的缓冲区。假设缓冲区大小为n，有插入指针和取出指针

（3）要求：

生产者与生产者之间要互斥

生产者与消费者之间要互斥

生产者不能向满缓冲区写数据

消费者不能向空缓冲区取数据

e: 资源信号量，表示缓冲区大小

n:资源信号量，非空单元

x:互斥信号量，对缓冲区的操作权限

生产者：

wait(e)

wait(x)

生产数据

signal(x)

signal(n)

消费者：

wait(n)

wait(x)

取走数据

signal(x)

signal(e)

（4）资源信号量要先申请，然后再申请互斥信号量。也就是说多的要先申请。

2. 读者/写者问题

要求：

写者间互斥

写者读者间互斥

读者间可同时读

读完数据还在

（1）读者优先

读者：                                                                   

wait(x)

reader++;

if(reader == 1) 

wait(wsem)

signal(x)

读数据

wait(x)

reader--;

if(reader == 0)

signal(wsem)

signal(x)

写者：

wait(wsem)

写数据

signal（wsem）

（2）写者优先

读者：                                                                   

wait(z)

wait(rsem)

wait(x)

reader++;

if(reader == 1) 

wait(wsem)

signal(x)

signal(rsem)

signal(z)

读数据

wait(x)

reader--;

if(reader == 0)

signal(wsem)

signal(x)

写者：

wait(y)

writer++;

if(writer == 1)

wait(rsem)

signal(y)

wait(wsem)

写数据

signal（wsem）

wait(y)

writer--;

if(writer == 0)

signal(rsem)

signal(y)

进程通信

1. 进程通信类型

控制信息和数据信息

2.常用的进程通信机制

（1）共享存储区

（1.1）要求本地进程之间，数据空间固定

（1.2）同步互斥方式：

程序设计

操作系统实现：进程将存储区连接到本地进程中，互斥同步由操作系统实现，进程只管读写。

（2）消息传递

（2.1）消息格式

消息头：消息类型+目的地址+原地址+消息长度+控制信息

消息体：消息内容

Send原语：如果没有空闲的缓冲区，则进程阻塞；

Receive原语：如果缓冲区为空，则进程阻塞；

同步方式：

阻塞发送、阻塞接收

不阻塞发送、阻塞接收：发送进程不是一定要发送的，而接收进程一定要等有数据

不阻塞发送、不阻塞接收

（3）邮箱机制

邮箱：消息的容器

使用邮箱实现互斥同步：创建一个邮箱，里面有一条空消息。接收阻塞方式，读取时如果为空则阻塞，等待进入临界区；如果取到了，就进入临界区。

3. 死锁

（1）安全状态、不安全状态

（2）安全序列、安全算法

4. 哲学家算法

（1）问题描述

五个哲学家围成一桌，5碗面，五支筷子在面左右，同时获得两支筷子才能进食。

（2）死锁

        如果每个哲学家都申请自己右边的筷子，再申请左边的筷子，很容易进入死锁

wait(fork(i));

wait(fork(i+1 )mod 5);

eat;

signal(fork(i+1) mod 5);

signal(fork(i));

（3）解决方案

       增加一位服务员，先让4位哲学家进餐，4位哲学家竞争5支筷子，肯定有一个能够取得一对，然后再安排最后一位进餐。

room:semaphore(4)

wait(room)

wait(fork(i));

wait(fork(i+1 )mod 5);

eat;

signal(fork(i+1) mod 5);

signal(fork(i));

signal(room);