【进程管理】进程状态、前趋图、同步与互斥、调度、死锁、线程

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计算机操作系统

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1. 操作系统概述
2. 进程的组成和状态
3. 前趋图🔥
4. 进程资源图🔥
5. 同步与互斥
6. 信号量操作
7. 死锁
8. 线程

1. 操作系统概述

操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率，改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
操作系统的特征：并发性、共享性、虚拟性、不确定性。
操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理
操作系统的分类：批处理操作系统、分时操作系统 (轮流使用CPU工作片) 、实时操作系统 (快速响应)、网络操作系统、分布式操作系统 (物理分散的计算机互联系统）、微机操作系统 (即个人计算机操作系统Windows)、嵌入式操作系统
计算机启动的基本流程为：BIOS -> 主引导记录 -> 启动操作系统
【BIOS】计算机通电后，首先会进行基本输入输出系统（Basic Input/Output System）的自检。BIOS是存储在主板上的一组固件程序，其目的是检测并初始化计算机的硬件设备，例如处理器、内存、硬盘等。BIOS还负责寻找并加载存储在主引导记录中的引导加载程序。
【主引导记录】主引导记录中包含了引导加载程序的代码，以及用于定位和加载操作系统的信息。当BIOS完成自检后，它会将控制权转移给主引导记录，并开始执行引导加载程序。

2. 进程的组成和状态

进程的组成：进程控制块PCB（唯一标志着一个程序）、程序（描述进程要做什么）、数据（存放进程执行时所需数据）。
进程的状态（三态）🔥 ：系统自动控制时的三种状态

运行状态：处于运行状态的进程占用CPU资源，正在执行计算机程序的指令
就绪状态：处于就绪状态的进程已经获得了除了CPU以外的所有必需资源，正等待系统分配CPU资源
阻塞状态：处于阻塞状态的进程不占用CPU资源，等待某个事件的发生，如等待外部输入/输出完成、等待某个资源的释放等。当所等待的事件发生时，进程将转移到就绪状态，等待CPU的调度。
五态：多了两种状态“静止就绪”和“静止阻塞”，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待。当人为干预后，进程将被挂起，进入静止状态，此时，需要人为激活，才能恢复到活跃状态。

3. 前趋图🔥

用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系。
如下前趋图可知：A B C可以并行执行，但是必须A B C都执行完后，才能执行D，这就确定了两点:任务间的并行、任务间的先后顺序。
在这里插入图片描述

4. 进程资源图🔥

用来表示进程与资源之间的分配和请求关系。

R表示资源（resource），P表示进程（progress）
R方框中有几个圆圈表示有几个这种资源
对于进程来说，如果箭头是进来的资源，表示进程拥有它（资源分配给了该进程）；如果箭头是出去的资源，表示进程还需要该资源才可以执行。

如下图所示，R1方框中有两个圆圈则表示有两个R1资源，R2方框中有三个圆圈则表示有三个R2资源。

R1的箭头指向P1，说明P1拥有一个R1（R1有一个资源已经分配给了P1）；P1的箭头指向R2，说明P1需要一个R2资源才可以执行。那P2呢？P3呢?
在这里插入图片描述

阻塞节点：某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。
如上图中P2就是阻塞节点。因为P2进程还需要R1资源才可以执行，可是R1的两个资源都被分配完了（被P1、P3占有），所以P2进程无法获取R1资源，进程阻塞了无法继续，除非P1或者P3释放R1资源。
非阻塞节点：某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。
如上图中P1、P3就是非阻塞节点。因为P1还需要一个R2资源，而R2资源只被分出去了两个，还剩下一个，可以分配给P1进程继续执行；而P3也需要一个R2资源，同样的道理。
当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。以上图并不会进入死锁状态，因为只要R1资源被释放了后，就P2进程就可以继续执行，所有进程都可以执行完。

🍉 【例题】在如下图所示的进程资源图中，（）；该进程资源图是（）。

在这里插入图片描述

【第一空】
A、P1、P2、P3都是阻塞节点
B、P1是阻塞节点、P2、P3是非阻塞节点
C、P1、P2是阻塞节点、P3是非阻塞节点
D、P1、P2是非阻塞节点、P3是阻塞节点

【第二空】
A、可以化简的，其化简顺序为P1->P2->P3
B、可以化简的，其化简顺序为P3->P1->P2
C、可以化简的，其化简顺序为P2->P1->P3
D、不可以化简的，因为P1、P2、P3申请的资源都不能得到

【解析】C；B

能否化简的意思是所有进程能否执行完，化简顺序即为执行顺序，执行顺序自然是从非阻塞节点P3开始执行，由于P3进程需要一个R3资源，而R3资源还没有被分配完，P3同时占用一个R1资源和一个R2资源，所以执行完P3进程后，可以将所有资源释放掉。P1需要一个R2资源，P3释放的R2资源可以给到P1，P1可以执行。P2需要一个R1资源，P3释放的R1资源可以给到P2，P2可以执行。但P3肯定是先执行的，P1、P2的顺序随意。

5. 同步与互斥

互斥：临界资源在同一时间内只能由一个任务单独使用，使用时需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用。
【解释】互斥是同步的一种特殊形式，它用于保护共享资源，使得在同一时间只有一个进程或线程可以访问该资源。互斥的目的是确保共享资源不会被多个进程同时访问和修改。如打印机只能用来打印某份文件，而不能同时打印多份文件。
同步：同步是指多个进程之间协调执行的机制，它确保这些进程或线程按照一定的顺序和规则执行，以避免数据混乱和冲突的问题。
【解释】同步关注的是进程之间的合作和执行顺序，避免数据混乱；而互斥用于限制并发访问共享资源，避免冲突和竞争条件。
临界资源：各进程间需要以互斥方式对其进行访问的资源。
【解释】临界资源是指在多个并发执行的进程中被共享的一种资源，如内存、文件、打印机等。临界资源的特点是同一时间只能被一个进程访问，其他进程需要等待当前进程释放该资源后才能访问。
临界区：指进程中对临界资源实施操作的那段程序。本质是一段程序代码。
【解释】临界区是指一段在同一时间只允许一个进程执行的代码区域，用于控制对于共享资源的访问，确保在一个进程进入临界区之后，其他进程必须等待，直到该进程退出临界区，从而避免数据的混乱和错误。eg：假设有两个进程同时对一个共享变量进行操作，如果没有临界区的控制，那么它们可能会同时读取和修改这个变量，导致互相之间的操作产生冲突和错误的结果。
互斥信号量：对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1。
【解释】互斥信号量是一个二进制信号量，它只能取两个值：0和1。它用于保护临界资源（如共享内存或文件），以确保一次只能有一个进程访问该资源。当一个进程想要访问共享资源时，它会先检查互斥信号量的值。如果互斥信号量为1，表示资源没有被占用，进程可以将互斥信号量设置为0，然后访问资源。如果互斥信号量为0，表示资源已经被占用，进程必须等待，直到互斥信号量变为1才能访问资源。
同步信号量：对共享资源的访问控制，初值一般是共享资源的数量。
【解释】同步信号量的初始值是共享资源的数量。当一个进程请求访问共享资源时，同步信号量的计数器会减少。如果计数器大于零，表示还有可用的资源，进程可以继续执行。如果计数器为零，表示当前没有可用资源，进程将会被阻塞，直到有其他进程释放了资源，使计数器大于零。

6. 信号量操作

信号量的本质？
信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。
信号量机制的功能？
进程间通信处理同步互斥的机制。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。
什么是信号量操作（PV操作）？
PV操作是由P操作和V操作，针对信号量进行相应的操作。
P(S)：S表示信号量的值，P表示P操作，执行一次P操作意味着请求分配一个资源

申请资源，将信号量S的值减1，即S = S-1；
若S<0，无可用资源，则该进程为阻塞状态，并将其插入阻塞队列；
若S>=0，当前有可用资源，则该进程继续执行；

V(S)：S表示信号量的值，V表示V操作，执行一次V操作意味着释放一个资源

释放资源，将信号量S的值加1，即S = S+1；
若S>0，则执行V操作的进程继续执行；（当信号量的值大于0，表示有可用资源，那么表示信号量的资源足够进程进行申请，就不需要将进程进行放入到阻塞队列中）
若S<=0，则释放阻塞队列中的第一个等待信号量的进程；（当信号量小于0的时候，表示还有其他的进程是已经进行了申请信号量的操作，而只是之前是无法满足进程获取资源的）

【经典问题】生产者与消费者的问题

生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是同步关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费。
三个信号量:：互斥信号量S0 (仓库独立使用权)、同步信号量S1 (仓库中的空闲个数）、同步信号量S2 (仓库商品个数）。
仓库独立使用权指的是生产者在使用仓库的时候，消费者就不能够使用。假设当前有100个商品，如果仓库里面一个商品都没有，那么S1仓库空闲个数就是100，S2仓库商品个数就是0，而互斥信号量S0的初值就是1。

//生产流程
 prodect(){
        while(true) {
            首先，生产者生产一个商品S，生产完要放到仓库里面，要放进去，先要有仓库
            
            p(S0);		//申请仓库独立使用权
            p(S1);		//再判断仓库里面是否有空闲，申请一个仓库的空闲的地方存放商品
            
            把商品放入仓库中，放进去后商品的数量就多了一个
            
            v(S2)	    //释放掉该商品的数量
            v(S0)		//释放掉仓库独立使用权

//消费流程
comsumer() {
        while(1) { 
            p(S0);    //消费者要从仓库里取商品，要先申请仓库的独立使用权
            p(S2);	  //要消费商品就要看仓库里面有没有这个商品，申请看S2仓库商品个数
            
            取出一个商品
            
            v(S1);   //取出商品后，仓库中的空闲个数就增加了
            v(S0);	 //最后把仓库的独立使用权释放掉
        }

🍉 【例题】进程P1、P2、P3、P4和P5的前趋图如下图所示，若用PV操作控制进程P1、P2、P3、P4和P5并发执行的过程，则需要设置5个信号S1、S2、S3、S4和S5，且信号量S1~S5的初值都等于零。下图中a和b处应分别填（）； c和d处应分别填写（）；e和f处应分别填写 ( ) 。

在这里插入图片描述

【第一空】
A.V (S1) P (S2) 、V (S3)
B.P (S1) V (S2) 、V (S3）
C.V (S1) V (S2) 、V (S3)
D.P (S1) P (S2) 、V (S3）

【第二空】
A.P (S2) 和 P (S4)
B.P (S2) 和 V (S4)
C.V (S2) 和 P (S4)
D.V (S2) 和 V (S4)

【第三空】
A.P(S4) 、V (S4) V (S5)
B.V(S5)、 P (S4) P (S5)
C.V(S3)、 V (S4) V (S5)
D.P(S3)、 P (S4) V (P5)

【解析】C; B; B
信号量主要是控制同步和互斥的，同步和互斥是由这些线控制的，而前趋图中的箭头表示进程执行的先后顺序，所以前趋图中的线表示五个信号量。

在前趋图中，P1执行完后释放了两个信号量，假设信号量是S1、S2。
在PV操作图中，P1执行完得到a，P2执行完得到b，在P2执行之前，需要P(S1)申请一个S1信号量。所以很明显，上面那根线是S1信号量，下面的是S2信号量。a=P1执行完释放的信号量V (S1) V (S2)
P2执行完后会释放一个P4需要的信号量，假设是S3（后面求证），结合答案看也就只有V (S3)
在前趋图可以看到，P3执行依赖于S2信号量，所以c会是P(S2)，P3执行完后会释放一个信号量，假设是S4（后面求证），结合答案看，也就只有V (S4)
P4先申请到S3信号量后执行，执行后要释放S5信号量，所以e是V(S5)
在前驱图中，P5要执行，需要S4、S5信号量，所以f是P (S4) P (S5)

在这里插入图片描述

🍉 【例题】进程P1、P2、P3、P4、P5和 P6 的前趋图如下所示，若用 PV 操作控制这6个进程的同步与互斥的程序如下，那么程序中的空1和空2处应分别为（）；空3和空4处应分别为（）；空5和空6应分别为（）。
【第一空】
A. V (S1) V (S2) 和 P (S2)
B. P (S1) P (S2) 和 V (S2)
C. V (S1) V (S2) 和 P (S1)
D. P (S1) P (S2) 和 V (S1)

【第二空】
A. V (S3) 和 V (S5) V (S6)
B. P (S3) 和 V (S5) V (S6)
C. V (S3) 和 P (S5) P (S6)
D. P (S3) 和 P (S5) P (S6)

【第三空】
A. P (S6) 和 P (S7) V (S8)
B. V (S6) 和 V (S7) V (S8)
C. P (S6) 和 P (S7) P (S8)
D. V (S7) 和 P (S7) P (S8)

在这里插入图片描述

【解析】C; B; D

明确每个空分别代表什么：1是P1执行完的结果、2是P2的执行条件、3是P3的执行条件、4是P3执行完的结果、5是P4执行完的结果、6是P6的执行条件
回到前驱图看不同的进程的执行条件和执行结果
整个过程，信号量一般是从S1开始编号的，但是哪条线代表哪个信号量并不明确，所以：先假设，后根据答案求证

🍉 【例题】假设某系统采用非抢占式优先级调度算法，若该系统有两个优先级相同的进程P1和P2，各进程的程序段如下所示，若信号量S1和S2的初值都为0。进程P1和P2并发执行后a、b和c的结果分别为: a= ( )，b=( )，c=( )。
在这里插入图片描述
【第一空】
A.6 B.7 C.10 D.13
【第二空】
A.4 B.6 C.9 D.10
【第三空】
A.4 B.6 C.10 D.13

【解析】如果是抢占式的系统，优先级高的进程可以抢占正在运行进程的CPU，把当前的进程给挤下去。如果是非抢占式的系统，就算你的优先级再高，你也只能等待它运行完释放CPU。题目中的进程处于非抢占式系统，而且两个进程优先级相同，不存在抢占资源的问题。

首先从P1程序段开始执行，a=1，a=a+1=2，V(S1)释放资源，而S1的初始值是0，所以S1=1，c=a+5=7，P(S2)是申请S2资源，而S2的初始值为0，还要申请资源，所以此时S2<0，无可用资源，进程阻塞。

执行P2程序段，b=2，b=2+1=3，P(S1)是要申请一个资源，而在P1进程中，刚好释放了一个资源S1=1，所以这里可以申请到S1资源，继续执行程序，b=2+3=5，V(S2)是要释放一个S2资源，初始值S2=0，所以此时S2=1，继续执行并唤醒资源，继续执行P1程序段，a=a+c=14。

7. 死锁

当一个进程在等待永远不可能发生的事件时，就会产生死锁，若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成系统死锁。

死锁产生的四个必要条件🔥：

资源互斥：互斥是共享的对立面，如果所有资源都是共享的，你也可以用，我也可以用，就不存在死锁的情况
每个进程占有这个资源不释放，而且还等待其他资源（旧进程资源不释放，新进程得不到资源）
进程资源图是一个环路

解决死锁的方法：（打破四大条件）

死锁预防：采用某种策略限制并发进程对于资源的请求，破坏死锁产生的四个条件之使系统任何时刻都不满足死锁的条件
死锁避免:一般采用银行家算法🔥来避免，银行家算法是提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源。相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁。操作系统就是一个银行家，它有很多资源，也有很多进程向他申请资源，所以操作系统必须管控好这些资源，避免造成死锁。
死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到系统中发生死锁，则设法加以解除。
死锁解除：即死锁发生后的解除方法，如强制剥夺资源，撤销进程等。
死锁计算问题：系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*(R-1)。其不发生死锁的最小资源数为n*(R-1)+1。

🍉 【例题】某系统中有3个并发进程竞争资源R，每个进程都需要5个R，那么至少有( )个R，才能保证系统不会发生死锁。
A.12
B.13
C.14
D.15

【解析】B。每个进程需要5个R才能执行，假设现在每个进程有4个资源R，也就是每个进程现在都有3*4=12个R，当有12个进程的时候，这三个进程都不能执行，所以12是会发生死锁的最大资源数，即这个情况下是死锁，加一个后就不会发生死锁。

🍉 【例题】假设系统中有三类互斥资源R1、R2和R3，可用资源数分别为10、5和3。在T0时刻系统中有P1、P2、P3、P4和P5五个进程，这些进程对资源的最大需求和已分配资源数如下表所示，此时系统剩余的可用资源数分别为( )。如果进程按( )序列执行，那么系统状态是安全的。
在这里插入图片描述

【第一空】
A.1、1和0
B.1、1和1
C.2、1和0
D.2、0和1

【第二空】
A.P1一P2一P4一P5一P3
B.P5一P2一P4一P3一P1
C.P4一P2一P1一P5一P3
D.P5一P1一P4一P2一P3

【解析】D

已知R1、R2和R3的可用资源数分别为10、5和3。计算得到已分配的资源R1、R2、R3分别是8、5、2，所以此时系统剩余的可用资源数分别为2、0、1。

如果系统先从P1进程开始执行，P1对R1、R2、R3资源的需求量分别是5、3、1，而这时候只分配了1、1、1，还需要4、2、0个R1、R2、R3资源才可以执行，但这时分别只有2、0、1个R1、R2、R3，不够分配。
如果系统先从P5开始执行，P5对R1、R2、R3资源的需求量分别是2、1、1，已分配资源数分别是1、1、0，还需要1、0、1个R1、R2、R3资源才可以执行，而此时系统剩余的可用资源数2、0、1，刚好满足；P5执行完会释放资源1、1、0，所以此时系统剩余的资源回事3、1、1，再执行P2，还需要1、1、0个资源，3、1、1个可用资源满足…