操作系统——进程线程

一：操作系统简述

定义：用来管理计算机硬件以及软件资源的计算机程序

计算机组成：存储器+控制器+运算器+输入设备+输出设备
其中 CPU=控制器+运算器

操作系统的功能：
1：进程以及线程的管理：进程以及线程的状态，进程通信，线程同步，资源调度等
2：存储管理：内存的分配以及回收，地址转换，存储保护等
3：文件管理：文件目录，文件操作，文件存取控制等
4：设备管理：设备驱动，分配回收，缓冲技术等
5：用户接口：系统命令，编程接口
操作系统的应用：
1：资源的管理者
2：向用户提供各种服务
3：对硬件机器的扩展
操作系统的特性：
1：并发性

两个或者多个程序在同一时间间隔执行，宏观上是同时执行，微观上是交替执行
这里要注意一下并发性和并行性之间的区别：
并行性：指的是两个程序或者是多个程序在同一时刻同时进行。
如果是单核CPU的话，只存在并发性，不存在并行性；但是多核CPU可能并发性和并行性同时存在。

2：共享性
这里说的共享性也就是资源共享，也就是系统中的资源可以同时供内存中多个并发的程序同时使用。

分类：
1：互斥访问：系统中的某些资源，虽然可以提供给多个进程使用，但一个时间段内只允许一个进程访问该资源——使用QQ和微信视频。同一段时间内摄像头只能分配给其中一个进程
2：同时访问：某种资源在一段时间内并发地访问多个程序，“同时”指在宏观上是同时的，在微观上是交替进行访问的，只是cpu处理速度很快，我们感觉不到，在宏观上感觉是在同时进行

3：虚拟性
把一个物理实体变成若干个逻辑上面的对应物：只要的实现方式有时分复用以及空分复用
4：异步性

多道程序环境允许多个程序并发执行，但由于资源有限，进程的执行并不是一贯到底的，而是走走停停的，它以不可预知的速度向前推进，描述这种以不可预知的速度走走停停，何时开始何时结束未知的这种状态叫做异步

比如这个打印机的案例：谁都不知道A释放打印机之后，是b抢占到打印机的资源还是C抢占到打印机的资源，这种不可预知就是异步

二：进程和线程

对于进程以及线程的一些简单概念，可以参考：http://www.ruanyifeng.com/blog/2013/04/processes_and_threads.html

进程以及线程的区别：

进程	线程
资源分配的最小单位	资源调度的最小单位
进程之间相互独立，并且每个进程有自己的内存空间	线程没有，它所使用的资源来源于进程中
操作系统中同时运行一个或者多个进程	进程中可以同时运行一个或者多个线程，线程又称为轻量级进程
进程开销大	线程相对较小
进程控制块（PCB）	线程控制块(TCB)

进程的状态：

• 创建：创建的时候已经拥有了PCB（进程控制块），但是其他资源还没有准备就绪
• 就绪：其他资源都已经分配好了，只剩下CPU没有进行分配
• 执行：CPU和其他资源都已经准备就绪
• 阻塞：进程因为某种原因而放弃CPU的状态，比如资源没有到位导致运行不下去；等待资源到位转为就绪状态，获得CPU之后又可以继续运行
• 终止：执行完毕，归还CPU的状态
  

进程之间的通信：

什么是进程之间的通信？
每个进程各自有不同的用户地址空间,任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，进程之间要交换数据必须通过内核,在内核中开辟一块缓冲区,进程A把数据从用户空间拷到内核缓冲区,进程B再从内核缓冲区把数据读走,内核提供的这种机制称为进程间通信

常用的通信方法：

1：管道存在于内存中，进程可以对它进行读写，它提供流控制，保证进程的正确读写，即管道为空时读进程会阻塞，管道为满时写进程会阻塞，以此实现进程之间的通信
分类：
普通管道pipe：半双工通信，单向通信，只能在父子进程之间使用
命名管道FIFO：半双工通信，没有进程关系限制，可以在无关进程之间进行通信
2：消息队列MessageQueue：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
3：共享存储SharedMemory：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。是进程通信中最快的一种方式
4：信号量Semaphore：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
5：套接字Socket：套解口也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

进程/线程之间的同步

对竞争资源在多个进程间进行使用次序的协调，使得并发执行的多个进程之间可以有效的时候资源和相互合作
同步就是协同步调，按预定的先后次序进行运行

同步的四大原则：

• 空闲等待：这个临界资源没有被占用，操作系统应该允许进程使用这个资源
• 忙则等待：如果有进程占用这个资源，那么接下来请求这个资源的进程就应该等待
• 有限等待：就是临界资源被占用，但是要保证请求的进程在有限的时间之内能使用到这个进程，避免一直等待
• 让权等待：等待临界资源的进程在等待的过程中应该让出CPU的使用权，也就是从运行状态转换为阻塞状态

线程同步的方法：

• 临界区（Critical Section）：在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

• 互斥量 (Mutex)：适合不同进程内多线程访问公共区域或代码段时使用，与临界区相似。

• 事件（Event）：通过线程间触发事件实现同步互斥

• 信号量（Semaphore）：与临界区和互斥量不同，可以实现多个线程同时访问公共区域数据，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目，原理与操作系统中PV操作类似，先设置一个访问公共区域的线程最大连接数，每有一个线程访问共享区资源数就减一，直到资源数小于等于零。

进程调度

计算机通过决策决定哪个就绪进程可以获得CPU使用权

调度机制的算法：

1：先来先服务调度算法
:2：短进程优先调度算法 ：优先选择运行时间短的进程，但是不利于长作业进程的操作，得等到短进程运行结束之后再运行
3：高优先权优先调度算法 ：进程附带优先权，调度程序优先选择权重高的进程，比如前台进程的优先级会高于后台进程
4：时间片轮转调度算法：按照先来先服务的原则排列就绪进程，每次从头部取出待执行进程，分配一个时间片执行
5：多级反馈队列调度算法：不必事先知道各种进程所需的执行时间，而且还可以满足各种类型进程的需要，因而它是目前被公认的一种较好的进程调度算法

死锁

两个或者两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞现象，若无外力作用，他们都将无法推进下去

产生死锁必须满足以下几个条件（四个条件全都满足）：

互斥条件：每次资源只能被一个进程利用，要使用这个资源只能等待这个资源被释放
请求保持条件：进程至少保持一个资源，又提出新的资源请求；并且新的资源被占用，只能处于阻塞状态；同时这个被阻塞的进程不释放自己保持的资源
不可剥夺条件：进程获得的资源在未完成之前不可被剥夺，获得的资源只能由进程自身释放
环路等待条件：发生死锁的时候，存在进程-资源环形链

预防死锁的方法：
破坏请求保持，不可剥夺，环路等待三个条件之一即可

破坏请求保持条件：系统规定进程运行之前，一次性申请所有需要的资源；所以就不需要在运行的过程中再申请新的资源而产生等待的情况
破坏不可剥夺条件：当一个进程请求新的资源得不到满足的时候，必须释放所占有的资源，也就是在运行的时候占有的资源可以被释放，意味着可以被剥夺
破坏环路等待条件：可用资源线性排序，申请必须按照需要递增申请，线性申请不在形成环路，而是线型