操作系统基础知识（二）--进程/线程

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本文深入探讨操作系统中的进程基础，详细解释了进程的概念、组成、状态转换和进程控制原语。重点讲解了进程通信的三种方式。接着转向线程基础，特别是组合实现的多线程模型。调度部分涵盖了各种调度算法，如FIFO、短作业优先、高响应比优先等。还讨论了死锁的概念、预防、避免策略以及银行家算法。最后，列举了经典问题如读者写者问题和哲学家就餐问题。

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文章目录

一、进程基础
二、线程基础
- 1.线程概念
三、调度
四、经典题型：
- 1.读者写者问题：
- 2.哲学家就餐问题
五、死锁

一、进程基础

1.进程概念

当多道程序进入内存时，操作系统为方便管理这些程序为每道进程都创建了一个PCB来描述这些程序的管理信息。
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2.进程组成

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3.进程的特征

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4.进程的状态转换（重点！）

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5.进程控制相关原语

原语是原子性的（不可中断）！
靠开中断以及关中断完成
原语的功能：
1.更新PCB中的信息包括（修改进程状态标志、将运行环境保存至PCB，将PCB恢复至运行环境）
2.将PCB插入合适的队列
3.分配/回收资源

6.进程通信

6.1共享资源

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6.2管道通信

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6.3消息传递

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二、线程基础

1.线程概念

线程也就是轻量级进程，线程是程序调度（执行流）的最小单位（进程是资源分配的最小单位）

1.1用户级线程

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1.2内核级线程

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1.3组合实现（重点！）

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1.3.1多线程模型

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三、调度

1.调度的概念

狭义上来说：调度指的是从就绪队列选择一个进程的这个过程
广义上来说：调度指的的选择加上切换过程
区别：
作业调度：将外存中的进程调入内存
进程调度：将内存中就绪队列的进程调入运行（分配CPU）

2.调度的三个级别

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3.调度算法指标

CPU利用率：忙碌时间/总时间
吞吐量：总共完成多少道作业/总共花费的时间（单位：道/秒）
带权周转时间：周转越短、实际越长越好
等待时间：周转-运行-i/o操作

4.调度算法

图例：在这里插入图片描述

4.1 FIFO（先到先服务）非抢占

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4.2 SJO（短作业优先）默认非抢占/抢占

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周转时间：	p1:16-0=16	p2:7-2=5	p3:5-4=1	p4:11-5=6
带权周转时间-》周转/运行	p1:16/7	p2:5/4	p3:1/1	p4:6/4
等待时间	p1:16-7=9	p2:5-4=1	p3:1-1=0	p4:6-4=2
平均带权周转时间	带权周转时间之和/作业总数
平均等待时间	等待时间之和/作业总数

4.3 HHRN（高响应比优先算法）非抢占

响应比算法=（等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间
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4.4对比

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4.5 RR（时间片轮转）抢占

注1：
若时间片结束后进入就绪队列与新进程进入就绪队列同时发生，优先后者
注2：
若时间片过大：会导致算法退化成FIFO；
若时间片过小：会导致频繁的切换进程浪费资源
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4.6 优先级调度算法（非抢占/抢占）

抢占式：
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注：
操作系统会偏向I/O繁忙型进程，不偏向CPU繁忙型进程；因为优先I/O可以尽早的让I/O设备投入工作，增大系统的吞吐量、效率等等

4.7 多级反馈队列

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四、经典题型：

1.读者写者问题：

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Sempahore rw = 1;	//读写临界区的互斥
int count = 0;
Sempahore mutex = 1;
Sempahore w = 1;
//读者优先，写者可能会饿死
//写者优先，写者与读者由同等的优先级
 写者：
//V(w)	//写者优先
P(rw);
写
V(rw);
//P(w)	//写者优先
 读者：
//P(w)	//写者优先
P(mutex)
count++;
if (count==1){P(rw)};
V(mutex)
//V(w)	//写者优先
读
P(mutex)
count--
if(count==0){V(rw)};
V(mutex)

2.哲学家就餐问题

int[5]{1,1,1,1,1} person;
int[5]{1,1,1,1,1} util;
person[i]:
if(i!=4){
if(i%2==0){	P(i+1);P(i);}//偶数先拿左边的筷子
else{P(i);P(i+1);}//奇数数先拿右边的筷子
}else{P(0);P(4);}

五、死锁

1.死锁的概念

1.1死锁、饥饿、死循环的区别

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1.2死锁产生的必要条件

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2.预防死锁

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3.避免死锁

3.1安全序列

安全状态：分配资源后只要能找到一个安全序列的状态就叫做安全状态
不安全状态：找不到任何安全序列
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== 不安全状态下没有发生资源请求就不是死锁，并且若此时有资源释放可能会回到安全状态下==

3.2银行家算法（重点！）

3.2.1算法概念

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3.2.2算法流程及其具体实现

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//1.获得对应需要的5个数组
int[][] allocation = Arrayss.getAllocation();	进程已分配资源
int[][] max = Arrayss.getMax();					进程最大需求资源数
int[][] need = max - allocation;				进程还需要的资源数
int[][] available = Arrayss.getAvailable();		可分配的资源数
int[][] request = Arratss.getRequest();			进程请求的资源数
//2.判断请求数组是否虚假报数
if(request<=need){↓}else{阻塞}
//3.判断可分配资源是否大于请求资源
if（available>=request）{↓}else{阻塞}
//4.假允许请求，判断请求后是否为安全状态
allocation += request;							进程已分配资源更新
need -= request;								进程需要资源更新
available -= request;							可分配的资源数更新
if(availavle > any need){↓}{剥夺这次更新，并返回阻塞该请求}
//5.安全状态，等待下次请求或资源释放，放回第二步