进程与线程学习笔记
1. 进程
1.1 进程概述
一个进程（process）是一个正在执行程序的实例，包括程序计数器、寄存器和当前值。每个进程有一个自己的虚拟CPU，几个虚拟的CPU并行运算，而事实上真正的CPU是在个进程之间切换的。假设有4个进程，各自控制自己的运行流程（逻辑计数器），在每个进程运行时，把逻辑计数器装入实际计数器中，结束运行时，则将实际计数器的内容装入逻辑计数器中。也就是说，一个CPU一次只能运行一个进程。
守护进程（daemon）：运行在后台的进程，通常处于睡眠状态，但是可能被唤醒。如电子邮件进程，当一个邮件到达时被唤醒接收邮件。
1.2 进程与程序的类比
程序——菜谱
进程——做菜
进程切换——有其他紧急事务处理时，记录菜做到哪一步，先处理紧急事务，然后从离开时的那一步做起。
进程不可以在计算机之间迁移而程序可以
1.3 进程创建与终止
导致进程创建的事件：1）系统初始化；2）正在运行的进程进行系统调用；3）用户请求创建；4）一个批处理作业的初始化。
导致进程终止的时间：1）正常退出（自愿）；2）出错退出（自愿）；3）严重错误（非自愿）；4）被其它进程杀死（非自愿）
1.4 进程的层次结构
父进程与子进程：Unix中，进程和其所有子女及后裔共同组成一个进程组，树结构；windows没有进程层次的概念，所有进程地位相同。而Windows中一个类似的操作是在创建进程时，父进程得到一个句柄用来控制子进程，并且他可以把这个句柄传送给别的进程，而UNIX中的进程不能剥夺其子女的继承权。
1.5 进程状态
三状态：1）运行态（Running）：该时刻进程实际占用CPU；2）就绪态（Ready）：可运行，但因其它进程正在运行而暂时停止；3）阻塞态（Blocked）：由于某种原因即使CPU空闲也不能运行，直到这个原因消除。
进程挂起（Suspend）：优先级的引入会使有些进程等待时间过长，从而会被换至外存，成为进程挂起。进程挂起分为阻塞挂起和就绪挂起。就绪挂起一旦进入内存即可执行。
1.6 进程实现
动态性；独立性（个进程地址空间相互独立）；并发性；异步性；结构化（代码段、数据段、栈段）
2. 线程
2.1 使用多线程的原因
1）并行实体共享地址空间和可用数据的能力；2）线程比进程更轻量级，容易创建和撤销；3）性能高，当存在大量计算和大量IO处理时，多线程允许这些活动彼此重叠进行；4）多CPU系统中，真正的并行有了实现的可能。
例子：编辑一个很长的文档
在第1页删除一句话，然后想跳转到第600页修改。若不是多线程的话，用户需要等很长时间，等文档格式化完之后才能显示出来；而如果一个线程a处理格式化，一个线程b处理与用户交互的话，等用户删除一句话之后，a即刻进行格式化处理，当用户请求查看第600页时，可能已经格式化完成，线程b立即显示第600页。还可以加一个线程c用来隔段时间保存文档，若程序是单线程的话，在保存文档的时候，鼠标键盘都不会响应，性能很差。
在这里，由于在同一个文件上操作，三个不同的进程是不能同时工作的，而线程共享数据和内存，可以同时访问同一个文件。
另外一个例子是一个多线程的Web服务器（具体模型见《现代操作系统》P55页）
2.2 线程
线程（thread）拥有一个程序计数器（记录执行到哪一个命令）、寄存器（保存当前的工作变量）和一个堆栈（记录执行历史）。线程状态与与进程状态类似。
3. 进程间通信
竞争条件（race condition）：两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序。
临界区（critical region/critical section）：进行访问共享内存的程序片段。
互斥（mutual exclusion），即以某种手段确保当一个进程在使用一个共享变量或文件时，其它进程不能做同样的操作。
忙等待的互斥方案（不成熟的）：
①屏蔽中断：在每个进程刚刚进入临界区后屏蔽所有中断。若没有打开中断，则产生问题，危险做法！
②锁变量：没有解决根本问题
③严格轮换法：自旋锁（spin lock）用于忙等待的锁。进程0、1轮流使用临界区，顺序必须严格按照010101...如果顺序为01000...则会有问题。
④Peterson解法
⑤TSL指令
这些方法有一个共同点：忙等待。其基本思想都是当一个进程想进入临界区时，先检查是否允许进入，若不允许，则该进程原地等待直到被允许。这些方法都有优先级反转问题（priority inversion problem）—— 两个进程H（优先级高）L（优先级低），在某一时刻，L处于临界区中，此时H转为就绪态，开始忙等待，而当H就绪时L不会被调度，也就无法离开临界区，所以H将永远忙等待下去。
睡眠与唤醒原语的互斥方案（也是不成熟的）：
以生产者消费者（生产者将信息放入缓冲区，消费者从缓冲区中取走信息）问题为例（一个producer和一个consumer）
1 #define N 100 //缓冲区槽数 2 int count=0; //缓冲区中数据项数目 3 4 void producer(void) 5 { 6 int item; 7 while(true) 8 { 9 item = produce_item();//产生数据项 10 if(count == N) sleep(); //缓冲区满，去睡觉 11 insert_item(item); //想缓冲区中放入新的数据项 12 count++; 13 if(count == 1) wakeup(consumer);//缓冲区空时，在生产新数据后唤醒消费者 14 } 15 } 16 17 void consumer(void) 18 { 19 int item; 20 while(true) 21 { 22 if(count == 0) sleep(); //缓冲区空，去睡觉 23 item = remove_item; //缓冲区中取出数据项 24 count--; 25 if(count == N - 1) wakeup(producer);//缓冲区不满了唤醒生产者 26 consume_item(item);//打印数据项 27 } 28 } 29
在这里，由于没有对count加以限制，可能会出现竞争。consumer和producer并发执行，假如count为0了，consumer判定其为0但是还没有执行sleep()；此时，producer刚刚生产一个数据放入缓冲区然后“唤醒”consumer；然后consumer执行了sleep()，此时producer实际上并没有唤醒consumer，结果就会只生产不消费，最后producer也sleep了。
（以下部分暂时没写完，明天继续~~）
竞争避免的方法（解决共享资源竞争）：
①信号量（semaphore）：PV原语
②互斥量（mutex）
③消息传递（message passing）
进程通信手段：管程（monitor）
