处理器管理（进程、作业、PV操作、银行家算法）

进程的管理与调度

进程的概念

• 定义：进程是具有独立功能的程序关于某个数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配、调度和保护的独立单位。
• 创建方式：系统程序模块统一创建；由父进程创建。
• 进程的特性：动态性、并发性、独立性、制约性、异步性、结构性

进程和程序的区别

• 进程更能真实第描述并非，程序不能；
• 进程是由程序、数据和控制块三部分组成的；
• 程序是静态的，进程是动态的；
• 进程是有生命周期，有诞生有消亡，程序相对长久；
• 一个程序可以对应多个进程，反之亦然；
• 进程具有创建其他进程的功能，程序没有。

进程的状态与转换

运行态：进程占有CPU，并在CPU上运行

就绪态：一个进程已经具备运行条件，由于无CPU暂时不能运行

等待态：因等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态

进程控制块PCB

• 进程控制块是操作系统为了管理进程而设置的一个数据结构，用来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。
• PCB是系统感知进程存在的唯一标志，进程与PCB是一一对应的。

通常包含如以下的信息：

1. 进程标识符(唯一)
2. 进程当前状态，通常同一状态的进程会被放到同一个队列；
3. 进程的程序和数据地址；
4. 进程资源清单。列出所拥有的除CPU以外的资源记录。
5. 进程优先级。反应进程的紧迫程度
6. CPU现场保护区。记录中断时的CPU状态
7. 进程队列的PCB的链接字。
8. 进程相关的其他信息。记账用的，如占用CPU多长时间等。

 作业的调度和管理

作业的概念

作业是用户一次计算过程中，或者一次事务处理过程中，要求计算机系统所做工作的总称。

作业和进程的区别

• 作业是用户向计算机提交任务的任务实体。进程是完成用户任务的执行实体。
• 一个作业可由多个进程组成，且必须至少由一个进程组成。反之不成立。
• 作业的概念主要用在批处理系统中，进程的概念用在几乎所有的多道程序系统中。

作业调度算法

T周转时间=结束时间-进入时间

W带权周转时间=周转时间/估计运行时间

• FCFS：先来先服务，按照作业提交的先后次序分派CPU；
• SJF：最短作业优先算法，对预计执行时间短的作业优先分派处理机，通常后来的短作业不抢先正在执行的作业（无抢占式）；
• SRTF：最短剩余时间优先算法，（抢占式SJF）如果新作业需要的CPU时间比当前正在执行的作业剩余下来还需CPU的时间短，SRTF强行赶走当前正在执行的作业；
• HRN：最高响应比优先算法，R=作业周转时间/作业处理时间=1+作业等待时间/作业处理时间

注意：单道程序环境和多道程序环境下，作业调度算法负责分配哪一个作业优先调入内存，在内存中哪一个作业优先执行需要其他调度算法控制。

 并发进程 

进程的同步和互斥

• 进程互斥：针对某一共享资源同时只允许一个进程对其进行访问，对资源的使用具有唯一性和排它性，互斥并不考虑和限制对资源的访问顺序
• 进程同步：指系统中多个进程中发生的事件存在某种时序关系，需要相互合作，共同完成一项任务（直接作用）
• 互斥是同步的一种特例，同步已经实现了互斥。

临界区管理

• 系统中某些资源一次只允许一个进程使用，称这样的资源为临界资源。在进程中涉及临界资源的程序段叫做临界区。
• 使用临界区的规则：①有空让进；②无空等待；③多中择一；④有限等待；⑤让权等待

信号量及P、V操作

• 信号量的定义：负责协调各个进程，以保证它们能够正确、合理的使用公共资源。（信号量是一个数据结构）
• 信号量的使用：信号量在使用时必须置一次且只能置一次初值，且初值不能为负数，并且只能执行P、V操作。
• 信号量及P、V操作的物理含义：
  • S>0表示有S个资源可用；
  • S=0表示无资源可用；
  • S<0则|S|表示S等待队列中的进程个数；
  • P(S)表示申请一个资源；
  • V(S)表示释放一个资源
• P、V操作必须成对出现
  
  • 当为互斥操作时，它们同处一个进程；
  • 当为同步操作时，则不在同一进程中出现；
  • 如果P（S1)和P(S2)两个操作在一起，一个同步P操作与一个互斥P操作在一起时，同步P在互斥P前，V操作顺序不重要。
• 经典生产者-消费者问题（同步问题）

• 多个生产者-消费者问题（互斥问题）

死锁的基本概念

• 死锁是指多个进程互不相让，都得不到足够的资源；饥饿是指一个进程长时间得不到资源
• 产生死锁的原因：因为资源不足（根本原因）；进程运行推进的顺序不合适；资源分配不当等
• 产生死锁的四个必要条件：互斥使用（资源独占）；不可强占（不可剥夺）；请求和保持（部分分配，占有申请）；循环等待

死锁的预防和避免

死锁的预防——解决死锁的静态方法

• 破坏“不可剥夺”条件；
• 破坏“请求和保持”条件；
• 破坏“循环等待”条件

死锁的避免——解决死锁的动态方法

银行家算法：n表示系统进程的个数，m表示资源类型的种类

• 可利用资源向量available[m]——长度为m的向量，代表每种资源的现有实例的数量。
• 最大需求矩阵max[n][m]——n*m矩阵，定义每个进程的最大需求量。
• 分配矩阵allocation[n][m]——n*m矩阵，定义每个进程现在已经分配的各类资源的实例数量。
• 需求矩阵need[n][m]——n*m矩阵，定义每个进程还需要的剩余的资源。

当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法通过先“试探”分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待。

死锁的检测和解除

系统为死锁状态的充分条件：当且仅当“进程-资源分配图”无法化简（资源分配图化简：找一个非孤立点进程结点且只有分配边，去掉分配边，将其变成孤立结点；再把相应的资源分配给一个等待该资源的进程，即将某进程的申请边变成分配边）。

死锁的接触：资源剥夺法；撤销进程法