操作系统-进程、线程、死锁、管程

2.1 进程

定义：由程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）

PCB是进程存在的唯一标志，所谓创建、撤销进程即是创建、撤销进程实体中的PCB
进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

PCB的组成

进程的组织

链接方式：按照进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针；包括执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针

索引方式：根据进程状态的不同，建立几张索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针；执行指针、就绪表指针、阻塞表指针

进程的特征

动态性：是进程最基本的特征
并发性；内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位
异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题
结构性

进程的状态和转换

五种基本状态

创建态、运行态、就绪态（拥有除了处理机所有的资源）、阻塞态、终止态（进程撤销，回收进程拥有的资源）

进程的控制

用原语实现进程控制（关中断和开中断指令实现），原语的特点是执行期间不允许中断

进程的创建

引起进程创建的事件：用户登录、作业调度、提供服务、应用请求

创建原语：申请空白PCB -> 为新进程分配所需资源 -> 初始化PCB -> 将PCB插入就绪队列

进程的终止

引起进程终止的事件：正常结束、异常结束、外界干预

撤销原语：从PCB集合中找到终止进程的PCB -> 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程 -> 终止其所有子进程 -> 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统 -> 删除PCB

进程的阻塞

引起进程阻塞的事件：需要等待系统分配某种资源、需要等待相互合作的其他进程完成工作

阻塞原语：找到要阻塞的进程对应的PCB -> 保护进程运行现场，将PCB状态信息设置为“阻塞态” -> 将PCB插入相应事件的等待队列

进程的唤醒

引起进程唤醒的事件：等待事件发生

唤醒原语：在事件等待队列中找到PCB -> 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态 -> 将PCB插入就绪队列，等待被调度

进程的切换

引起进程切换的事件：当前进程时间片刻、有更高优先级的进程到达、当前进程主动阻塞、当前进程终止

切换原语：将运行环境信息存入PCB -> PCB移入相应队列 -> 选择另一个进程执行，并更新其PCB -> 根据PCB恢复新进程所需的运行环境

进程通信

共享存储

每个进程的地址空间是各自独立的，因而操作系统提供共享空间，供进程之间互斥访问（不能同时访问）；分为基于数据结构的共享（低级通信方式）和基于存储区的共享（高级通信方式）

管道存储

管道是用于读写进程的一个共享文件，实际就是在内存中开辟一个大小固定的缓冲区

管道只能半双工通信
各进程互斥访问信道
管道写满时，写进程的系统调用将被阻塞，等待进程把信息取走；进程数据全部取走后，管道变空，读进程将被阻塞；且如果没写满就不允许读，如果没读空，就不允许写
数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个

消息传递

以格式化的消息为单位，通过操作系统提供的“发送消息”和“接收消息”两个原语进行数据交换；分为直接通信方式和间接通信方式（将格式化的消息存储在“邮箱中”）

线程

进程的进一步细分

线程的实现方式

用户级线程：对用户不透明，对操作系统透明；线程的管理工作（包括切换）都由应用程序负责

（多对一模型）缺点：并发度不高

内核级线程：线程的管理工作由操作系统内核完成，切换必须在核心态下完成

（一对一模型）缺点：一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大

在同时支持用户级和内核级线程的系统中，可采用二者组合的方式，将N个用户级线程映射到M个内核级线程上（N>=M），但是只有内核级线程才是处理机分配的单位

2. 2 调度

定义：当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情无法同时处理，需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序

调度的三层次

高级调度（作业调度）：内存空间有限，有时无法将用户提交的作业全部放入内存，因此需要确定某种规则来决定将作业调入内存的顺序，并建立相应的进程（PCB），作业调出时，撤销PCB

$$ 创建态 -> 就绪态 $$

中级调度：可将暂时不能运行的进程调至外存等待，等它重新具备了运行条件且内存又有空闲时，再重新调入内存

优点可以提高内存利用率和系统吞吐量
中级调度发生的频率要比高级调度更高
暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态；PCB仍保留在内存的挂起队列中

\left\{\begin{matrix} 挂起态 & -> & 就绪态\\ 阻塞挂起& -> & 阻塞态 \end{matrix}\right.

挂起状态又可以进一步分为就绪挂起、阻塞挂起状态

低级调度（进程调度）：选取进程，分配处理机，发生频率最高

$$ 就绪态 -> 运行态 $$

处理机进程调度的时机

进程需要进行进程调度与切换的时机：分为主动放弃和被动放弃

进程不能进行进程调度与切换的时机

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度和切换；在普通临界区可以进行处理机调度（各进程互斥访问临界资源的区域）
进程在处理中断的过程中、在原子操作过程中，不能进行进程调度与切换的情况

处理机进程调度的方式

非剥夺调度方式（非抢占方式）：只允许进程主动放弃处理机

剥夺调度方式（抢占方式）：可以主动放弃也可以被动放弃

评价调度算法的指标

$$ 利用率 =忙碌的时间/总时间 $$

系统吞吐量：单位时间内完成作业的数量

$$ 系统吞吐量 = 作业总量/完成时间 $$

$$ 周转时间 = 作业完成时间-作业提交时间 $$

$$ 带权周转时间 = （作业完成时间-作业提交时间）/作业实际运行的时间 $$

等待时间：进程/作业处于等待处理机状态时间之和

进程和作业的等待时间要区分

响应时间：指从用户提出请求到首次响应的时间

调度算法

饥饿：作业无法得到响应

先来先服务算法（FCFS，First Come First Serve）：非抢占式算法，对于长作业有利，对于短作业无利
短作业优先算法（SJF，Shortest Job First）：非抢占式，会有进程饥饿问题

抢占式的短作业优先算法——最短剩余时间算法（SRTN）：当有进程加入就绪队列和一个进程完成时都会计算运行剩余时间，调度剩余时间最小的进程

高响应比优先算法（HRRN，Highest Response Ratio Next）：非抢占式，综合了两个进程的等待和运行时间，不会导致饥饿

$$ 响应比 = （等待时间+要求服务时间）/要求服务时间 $$

时间片轮转算法（RR，Round-Robin）：按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片；若进程再一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队；若时间片没结束进程就执行结束，则也会调用其他进程；不会导致饥饿

通常时间片长度的选择使得进程的开销占比不超过1%即可
优先级调度算法：
- 非抢占式：每次调用已经到达且优先级最高的进程/作业
- 抢占式：选择当前已到达且优先级最高的进程，会发生抢占（一个进程没执行结束就被抢占）

优先级分为静态优先级和动态优先级，通常，系统进程优先级高于用户进程，前台进程优先级高于后台进程，I/O型进程优先级（或称I/O繁忙型进程）高于计算型进程（或称CPU繁忙型进程）

多级反馈队列调度算法

设置多级就绪队列，优先级从高到低，时间片从小到大
新进程到达时先进入第1级队列，按FCFS原则排队等待被分配时间片，若时间片用完进程还未结束，则进程进入下一级队列队尾；如果此时已经是在最下级的队列，则重新放回该队列队尾
只有第K级队列为空时，才会为k+1级队头的进程分配时间片；若有更高优先级的进入队列，则会被抢占处理机，被抢占处理机的进程重新放回原队列队尾