408计算机考研笔记（王道考研）：操作系统第二章进程与线程

阿宾爱干饭

已于 2023-02-26 19:52:52 修改

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2.1 进程和线程

2.1.1 进程的概念、组成、特征

1 、进程的概念

在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时它们将失去封闭性，并具有间断性及不可再现性的特征。

封闭性：一个进程一旦开始执行，其执行结果就只取决于它本身，不受外界因素影响。在封闭性下，进程的执行速度都不会改变它的执行结果。
失去封闭性后，不同速度下的执行结果不同。

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，就是一系列的指令集合。
进程：是动态的，是程序的一次执行过程---->同一个程序多次执行会对应多个进程（如：在一台电脑上打开多个QQ，则在任务管理器中显示多个）
引入进程的目的：
更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。

多角度定义：

进程是程序的一次执行过程
进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

2、进程的组成–PCB

操作系统为了区分各个进程（因为有时候对同一个程序打开多次，就是不同的进程），所以当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号”–PID（进程标识符）

3、进程的组成–程序段、数据段

程序的执行

进程的组成

PCB是进程存在的唯一标志！！！

4、进程的特征

进程之间可能是无关的，但也可能是有交互的。

小结：

2.1.2 进程的状态与转换、进程的组织

1、进程的状态–创建态、就绪态

2、进程的状态–运行态

一个进程正在运行，意味着CPU在执行该进程对应的程序（执行指令序列）

3、进程的状态–阻塞态

当对应的打印机资源空闲时，可以让对应的进程2从阻塞态转变为就绪态

4、进程的状态–终止态

通常用户进程被建立后，随着进程运行的正常或不正常结束而撤销。

5、进程状态的转换

在任何时刻，一个进程的状态变化不一定会引起另一个进程的状态变化。
如：处于运行态的进程如果进行“系统调用”，会变成阻塞态，会导致另一个进程由就绪态变为运行态。
处于阻塞态的进程转变为就绪态时不会导致其他进程变化。

6、进程的状态

进程PCB中，会有一个变量state来表示进程的当前状态。
为了对统一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来------>进程的组织

7、进程的组织

（1）链接方式

很多操作系统还会根据阻塞原因不同，在分为多个阻塞队列
如：

（2）索引方式

小结：

2.1.3 进程控制

1、概念

2、如何实现进程控制

——>用“原语”实现
原语的执行具有“原子性”，一气呵成。因为如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

3、如何实现原语的“原子性”

利用“关中断指令“和”开中断指令“这两个特权指令来实现原子性。
正常情况下：CPU每执行完一条指令就会例行检查中断信号
但是：在执行关中断指令后，CPU就不再检查中断信号，直到执行开中断指令之后才恢复检查，才对之前没有处理的中断信号进行处理

这样——，关中断、开中断之间的指令序列就实现了“原子性”

4、进程控制相关的原语（创建、终止、阻塞和唤醒）

为新进程分配所需的资源一般为：内存、文件、I/O设备、CPU时间等。

小结：

2.1.4 进程通信

进程间通信（IPC）是指两个进程之间产生数据交互。
（如：在微博界面转发一条微博可以到微信上）

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
出于安全考虑，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
所以进程通信需要操作系统支持。

1、共享存储

为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。
各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作）

2、消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换。

直接通信方式

间接通信方式（信箱通信方式）

进程P通过系统调用申请两个信箱A B
指明的是发送到哪个信箱，不是指明哪个进程

3、管道通信

数据的读写是FIFO（先进先出）

小结：

2.1.5 线程的概念

1、线程的概念

传统进程定义中，进程是程序的一次执行，但是这些功能显然不可能是由一个程序顺序处理就能实现的。

可以把线程理解为“轻量级进程”。
线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。
引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件）。
引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的），而线程则作为处理机的分配单元。

引入进程的目的：
减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能

2、引入线程机制后的变化

3、线程的属性

不同的线程可以执行相同的程序，即同一个服务程序被不同的用户调用时，操作系统把它们创建成不同的线程。
不同进程间可以并发执行，同一个进程中的多个线程可以并发执行，甚至不同进程中的线程也能并发执行，从而使操作系统有更好的并发性，提高了系统资源的利用率和系统的吞吐量。

2.1.6 线程的实现方式和多线程模型

1、线程的实现方式

1.1 用户级线程（ULT）（又称：内核支持的线程）

历史背景：早期的操作系统只支持进程，不支持线程。当时的“线程”是由线程库实现的

线程的管理工作是由用户程序通过线程库来完成的。
线程切换不需要CPU变态，在用户态就可以完成。
处理机的调度对象是进程。
操作系统只能意识到进程的存在，不能意识到用户级线程的存在。
优缺点：

① 优点：用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高。
调度算法可以是进程专用的，不同的进程可根据自身的需要，对自己的线程选择不同的调度算法。
② 缺点：当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发性不高。多个线程不可以在多核处理机上并发运行。

1.2 内核级线程（KLT，又称“内核支持的线程”)

线程的管理工作是由操作系统来完成
线程切换需要CPU变态，由用户态转变为内核态。
操作系统可以意识到内核级线程的存在。
优缺点：

2、多线程模型

在支持内核级线程的系统中，根据用户级线程和内核级线程的映射关系，可以划分为几种多线程模型。

2.1 一对一模型

2.2 多对一模型

操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。

2.3 多对多模型

小结：

2.1.7 线程的状态与转换（新增考点）

1、状态与转换

类比进程的转换

2、组织与控制

2.2 处理机调度

2.2.1 调度的概念、层次

1、基本概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。

2、调度的三个层次

① 高级调度（作业调度）

作业-------->一个具体的任务
用户向系统提交一个作业（近似等于）用户让操作系统启动一个程序（来处理一个具体的任务）

② 低级调度（进程调度、处理机调度）

------>是按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。
进程调度频率很高，一般几十毫秒一次。

③ 中级调度（内存调度）

3、补充知识：进程的挂起态与七状态模型

4、三层调度的联系、对比

小结：

2.2.2 进程调度的时机、切换与过程、方式

1、进程调度的时机

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换。
进程处于临界区时可以进行处理机调度。

临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源。各进程需要互斥地访问临界资源。
临界区：访问临界资源的那段代码。
内核程序临界区：一般是用来访问某种内核数据结构的，比如进程的就绪队列（由各就绪进程的PCB组成）

访问的是普通资源时：

2、进程调度的方式

① 非剥夺调度方式（非抢占方式）

② 剥夺调度方式（抢占方式）

3、进程的切换与过程

进程切换：指的是一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程。

狭义的进程调度：指的是从就绪队列中选中一个要运行的进程。（这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换）
广义的进程调度：包含了选择一个进程和进程切换两个步骤。

小结：

2.2.3 调度器和闲逛进程

1、调度器/调度程序

支持内核级线程的操作系统中，内核线程作为调度的基本单位，进程作为资源分配的基本单位。

2、闲逛进程

调度程序永远的备胎，在没有其他就绪进程时，才运行闲逛进程
闲逛进程的特性：

优先级最低。
可以是0地址指令，占用一个完整的指令周期（指令周期末尾例行检查中断）。
能耗低。
不需要CPU之外的资源，不会被阻塞

2.2.4 调度算法的评价指标

1、CPU利用率

指CPU“忙碌”的时间占总时间的比例
利用率=忙碌的时间/总时间------->有的题目还会要求计算某种设备的利用率

2、系统吞吐量

指：单位时间内完成作业的数量
系统吞吐量=总共完成了多少道作业/总共花了多少时间

3、周转时间

是指从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔。
包括四部分：

作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间---->只发生一次
进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间
进程在CPU上执行的时间
进程等待I/O操作完成的时间

------>后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次

4、等待时间

指进程/作业处于等待处理机状态时间之和，等待时间越长，用户满意度越低。

5、响应时间

小结：

2.2.5 调度算法

1、先来先服务（FCFS）

2、短作业优先（SJF）

（Shortest Job First）

例子：
非抢占式：

抢占式：

注意点：

对比FCFS和SJF

3、高响应比优先（HRRN）

（Highest Response Ratio Next）

例子：

小结：

1、时间片轮转（RR）

（Round-Robin）
时间片轮转调度算法常用于分时操作系统，更注重“响应时间”

时间片长短的确定因素：

系统的响应时间
就绪队列中的进程数目
系统的处理能力

例子：

2、优先级调度算法

例子：
非抢占式：

抢占式：

补充：

I/O繁忙型与CPU繁忙型作业

时间片轮转调度算法------->利于I/O繁忙型作业
先来先服务调度算法------->利于CPU繁忙型作业
短作业（进程）优先算法---->利于I/O繁忙型作业
优先权调度算法------------->利于I/O繁忙型作业

3、多级反馈队列调度算法

设计多级反馈队列队列调度算法时需要考虑的是：

就绪队列的数量
就绪队列的优先级
各就绪队列的调度算法
进程在就绪队列间的迁移条件

例子：

小结：

1、多级队列调度算法

2.3 同步与互斥

2.3.1 进程同步、进程互斥

1、进程同步

2、进程互斥

对临界资源的互斥访问，可以在逻辑上分为如下四部分：

进入区
临界区
退出区
剩余区

小结：

2.3.2 进程互斥的软件实现方法

1、单标志法

算法思想：
两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程。也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予。

类比记忆：

2、双标志先检查法

类比记忆：

3、双标志后检查法

类比记忆：

4、Peterson算法

类比例子：

如：1 6 2 7 8…
可以先利用例子推导，在利用代码分析。
谁最后说了“客气话”，谁就失去了行动的优先权。
（就是谁最后设置的turn值，就是那个进程没有优先权）
场景一：场景二：

结论：

小结：

2.3.3 进程互斥的硬件实现方法

通过硬件支持实现临界段问题的方法称为低级方法，或称为元方法。

1、中断屏蔽方法

2、TestAndSet指令（TSL指令）

3、Swap指令

小结：

2.3.4 互斥锁（新考点）

1、进程互斥：锁

2.3.5信号量机制

1、整型信号量

用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。
------> 与普通整数变量的区别：对信号量的操作只有三种，即初始化、p操作、v操作

2、记录型信号量

例子：
初始时S.value=2,S.L=null
进程在使用前用wait原语申请资源，然后用signal原语释放资源

如果开始CPU为P0服务，先执行S.value–，S.value变为1，系统将一个打印机资源分配给P0
然后到P1进程，先执行S.value–，S.value变为0，系统将一个打印机资源分配给P1

接下来CPU到P2进程，先执行S.value–,S.value = -1,进程主动执行block原语，让进程从运行态变为阻塞态，P2进程挂到打印机资源的等待队列里

接下来CPU为P3进程服务，然后value变为-2，进程P3挂到等待队列中

假设接下来CPU为P0服务
则进行signal原语，value++，变为-1，<0，说明有进程在等待该资源，使用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个进程P2，P2从阻塞态变为就绪态

CPU对P2操作，S.value++，变为0，=0，说明有进程在等待该资源，使用wakeup原语唤醒等待队列中的第一个程序P3，P3从阻塞态变为就绪态

然后CPU回到P1进程，S.value++,变为1，>0，说明没有进程在等待该资源，
系统回收资源

然后CPU到P3进程，S.value++,变为2，系统回收资源，结束

总结：

小结：

2.3.6 用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

1、实现进程互斥

2、实现进程同步

回忆：什么是进程同步：

假设代码4必须在代码1 2之后，则：

上述例子中的“前操作”即是代码1和代码2，然后在它们之后执行V(S)
“后操作”即是代码4，在它之前执行P(S）

3、实现进程的前驱关系

小结：

2.3.7 生产者-消费者问题

问题描述：

相当于同步问题

1、PV操作题目分析步骤

1、关系分析

找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系

缓冲区满时，生产者必须等待
当消费者进程从缓冲区取走数据后，如果有生产者进程是处于阻塞态的，那么消费者进程要把生产者进程重新唤醒，让它重新进入就绪态
但是不代表生产者进程立即向缓冲区写数据！！！

缓冲区空时，消费者必须等待

2、整理思路

根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序

③ 互斥关系的实现：设置互斥信号量mutex，在进入缓冲区前执行P(mutex），在退出缓冲区后执行V(mutex)

3、设置信号量

根据题目条件确定信号量的初值（互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少）。

full，消费者进程在消费之前是要申请一个产品，所以full应该对应产品数量，即非空缓冲区的数量，初始为0。
empty，生产者进程每生产一个产品要消耗一个缓冲区，所以empty对应的是空闲缓冲区数量，初始为n。

4、代码实现

2、能否改变相邻P、V操作顺序

逻辑上没问题，但是实际会对系统效能产生影响，不建议放

小结：