操作系统（二）—— 进程管理
二、进程管理
1. 进程与线程
1）进程的概念与特征
① 概念：进程(进程实体) = 程序段 + 数据段 + PCB，PCB是进程存在的唯一标志
② 定义：进程是程序的一次执行过程。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。
③ 特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性
【考点】进程是能独立运行、系统资源分配的最小单位
2） 进程的状态与转换
3） 进程控制
对系统中的所有进程的管理——实现进程转换
4） 进程的组织
① 链接方式
② 索引方式
5） 进程的通信
① 概念：进程是相互独立的，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间，实现进程之间进行信息交换就是进程通信。
② 通信方式：
6） 线程概念和多线程模型
① 线程是什么？ ——轻量级“进程”
② 线程的属性：
③ 线程的实现方式
用户级线程：由应用程序管理，操作系统看不到
内核级线程：由操作系统管理
【注】内核级线程才是处理机分配的单位
④ 多线程模型：
多对一：多个用户级线程映射到一个内核级线程
一对一：一个用户级 对应 一个内核级
多对多：n个用户级 映射到 m个内核级
2. 处理机调度
1）基本概念
进程数量往往大于处理机个数，为了更好地处理进程间的竞争，引入了处理机调度机制。
**2）三个层次
**
3）三层调度的联系和对比
作业调度为进程活动做准备，内存调度将暂时不能运行的进程挂起，进程调度使进程正常活动起来。
4）进程调度的时机
① 需要调度的时机：
a. 主动放弃处理机：进程正常终止、执行异常而终止、主动请求阻塞（I/O）
b. 被动放弃处理机：时间片用完，处理机资源被抢占
② 不能进行调度：
a. 处理中断的过程中
b. 操作系统内核程序临界区
c. 原子操作期间
5）进程调度的切换
【注】进程的切换和调度是有代价的
6）进程调度的方式
① 非抢占式 —— 早期的批处理系统
② 抢占式 —— 分时操作系统、实时操作系统
7）调度算法的评价指标
8）调度算法
适用于批处理操作系统：
① 先来先服务（FCFS）
a. 算法思想：“公平”，排队
b. 算法规则：按照作业/进程的先后顺序服务
c. 用于作业/进程调度：都可以用
d. 是否可抢占：非抢占式
e. 优缺点：算法简单、公平，但是效率低；有利于长作业，不利于短作业；有利于CPU繁忙型作业，不利于IO繁忙型作业。
f. 是否会导致饥饿：不会
② 短作业优先（SJF）
a. 算法思想：追求最少的平均等待时间、最少的平均周转时间、最少的平均带全周转时间
b. 算法规则：已到达的最短的作业/进程优先得到服务（服务时间最短）
c. 用于作业/进程调度：都可以用，用于进程时叫“短进程优先(SPF)”
d. 是否可抢占：SJF和SPF是非抢占式，但是也有抢占式版本的——最短剩余时间优先算法
e. 优缺点：优点：“最短的”平均等待时间、平均周转时间；缺点：不公平，对短作业有利，长作业不利，有可能饥饿现象；作业长短由用户确定，可能出现不准确。
f. 是否会导致饥饿：会，甚至饿死
③ 高响应比优先（HRRN）
a. 算法思想：综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间
b. 算法规则：每次调度时，先计算各个作业或进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程服务。 响应比 = (等待时间+要求服务时间) / 要求服务时间
c. 用于作业/进程调度：都可以
d. 是否可抢占：非抢占式
e. 优缺点：
i. 综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）
ii. 等待时间相同时，要求服务时间短的优先（SF 的优点）
iii. 要求服务时间相同时，等待时间长的优先（FCFS 的优点）
f. 是否会导致饥饿：不会
适用于交互式系统：
④ 时间片轮转调度算法
a. 算法思想：公平的、轮流地为各个进程服务，时间片
b. 算法规则：分配时间片，用完了就重新进入队列
c. 用于作业/进程调度：用于进程调度
d. 是否可抢占：抢占式，由时钟中断来通知CPU时间片已结束
e. 优缺点：公平、响应快，适用于分时操作系统；高频率切换进程会有一定的开销；不区分任务紧急程度
f. 是否会导致饥饿：不会
⑤ 优先级调度算法
a. 算法思想：很多场景需要根据任务的紧急程度来决定处理顺序，常用于实时操作系统
b. 算法规则：优先级高的先执行
c. 用于作业/进程调度：都可以，还可以用于I/O调度
d. 是否可抢占：抢占式、非抢占式都有
e. 优缺点：用优先级划分调度，适用于实时操作系统，可灵活调整任务的偏好程度；如果有很多的高优先级进来，可能导致饥饿。
f. 是否会导致饥饿：会的
⑥ 多级反馈队列调度算法
a. 算法思想：对其他算法折中权衡
b. 算法规则：
c. 用于作业/进程调度：用于进程调度
d. 是否可抢占：抢占式
e. 优缺点：
f. 是否会导致饥饿：不会
3. 进程同步
1）概念
① 同步：为完成某个任务而简历的两个或多个进程
② 互斥：当一个进程访问临界资源时，另一个进程必须等待，当访问结束后，另一个才能访问。
③ 临界资源：一次只能为一个进程服务的资源，如打印机、摄像头等
2）进程互斥的软件实现方法
① 单标志法
a. 算法思想：两个进程访问临界资源结束后，会把使用临界区的权限转交给另一个进程。
b. 优点：可以实现“同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”
c. 局限性：如果一个进程拿到锁，但是一直不进入，一直等待。违背“空闲让进”原则
② 双标志先检查法
a. 算法思想：每个进程进入临界区之前先检查当前临界区有没有其他进程，用一个boolean数组存放每个进程的状态(锁标志)。
b. 优点：不会出现一直等待问题
c. 局限性：因为是并发执行，可能多个进程同时进入临界区。违背“忙则等待”原则。
③ 双标志后检查法
a. 算法思想：在算法②的逻辑，改为先加锁，再检查。
b. 优点：解决了“忙则等待”问题。
c. 局限性：并发执行，可能会导致都进入不了，进程饿死了。违背了“空闲让进”、“有限等待”原则
④ Peterson 算法
a. 算法思想：如果多个进程都想进入临界区，就让他们“孔融让梨”。
b. 优点：满足 空闲让进、忙则等待、有限等待。
c. 局限性：未遵循让权等待原则。
3）进程互斥的硬件实现方法
① 中断屏蔽
a. 优点：简单高效
b. 局限性：不适用于多处理机、只适用于操作系统内核进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态）
② 硬件指令：
指令：TestAndSet指令(TSL指令或TS指令)、Swap指令
4）信号量机制
4）信号量机制实现互斥、同步、前驱关系
5）生产者消费者问题（同步互斥问题）
① 问题描述：生产者每次生产一个产品放入缓冲区，消费者每次从缓冲区拿一个产品并使用，缓冲区满了不能再生产，缓冲区空了不能再拿。
【注】这里的缓冲区应该是临界资源，各进程之间应该互斥访问，以保证缓冲区中的数据安全（避免覆盖、多拿问题）。
【考点】实现互斥必须在实现同步的两个P操作之后，否则会死锁
6）吸烟者问题（互斥问题）
7）读者-写者（互斥问题）
① 两个及以上的读进程 不需要互斥
② 读 和 写进程需要互斥
③ 两个及以上的写进程 需要互斥
8）哲学家进餐问题
9）管程
类似于 Java中的 类，将执行过程封装到方法中了。
4. 死锁
1）死锁的概念
① 什么是死锁？
并发环境下，各个进程相互等待对方手里的资源，无法向前推进。
② 进程死锁、饥饿、死循环的区别
死锁：并发环境下，各个进程相互等待对方手里的资源，无法向前推进。
饥饿：某个进程由于长期得不到想要的资源，进程无法推进。
死循环：某进程执行过程中一直跳不出去某个循。
③ 死锁产生的必要条件（四个）
a. 互斥条件：只有对必须互斥使用的资源的争抢才会出现死锁。
b. 不可剥夺条件：进程所获得的资源没使用完之前，不能由其他进程强行剥夺，只能由其主动释放。
c. 请求和保持条件：进程持有了至少一个资源的情况下又提出了新的资源请求，新的资源请求得不到满足，也不释放已有的资源。
d. 循环等待条件：存在一种进程资源等待链，链中的每一个进程已获得的资源被下一个进程所请求。
④ 什么时候会产生死锁
a. 竞争不可剥夺的系统资源
b. 进程推荐顺序非法
c. 信号量的使用不当
⑤ 死锁的处理策略
a. 预防死锁 —— 破坏死锁的四个必要条件之一
b. 避免死锁 —— 用某种方法防止系统进入不安全状态从而避免死锁，如银行家算法
c. 死锁的检测和解除 —— 允许死锁的发生，但是会检测处理并解除
2）死锁预防
① 破坏互斥条件
偶尔可以破坏，如SPOOLing技术解决打印机互斥问题，很多时候都不能破坏，甚至要保护。
② 破坏不可剥夺条件
方案一：进程请求新的资源得不到满足时，释放持有的资源
方案二：某个进程需要一个被其他进程占用的资源时，由操作系统协助，强行剥夺
缺点：实现复杂；增加系统开销；可能导致饥饿；仅适用于易保存/恢复状态的资源，如CPU
③ 破坏请求和保持条件
静态分配方法：进程运行前一次性申请所需要全部的资源
缺点：资源利用率低(资源用得不多，但要一直保持)，可能引起饥饿(有的资源一直不到位)。
④ 破坏循环等待条件
顺序资源分配法：规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同编号资源一次申请完。（先持有小编号—> 才能申请大编号的资源）
缺点：不方便新增设备；进程实际使用资源与递增顺序不一样，资源浪费；必须按照顺序申请，编程麻烦。
3）死锁避免
原理：每一次资源分配时，用银行家算法检测，保证系统处于安全状态。
① 安全序列：如果系统按照一种序列分配资源，能保证每个进程都顺利完成，那么这个序列就是安全序列。
② 安全状态：能找到任何一个安全序列，就是安全状态
【注】安全状态一定不会发生死锁，非安全状态不一定会发生死锁。
③ 银行家算法：资源分配之前判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，如果会进入，就让线程阻塞。
4）死锁检测和解除
① 检测死锁
资源分配图，能消除所有的边，则称这个图是可完全简化的，此时一定没有发生死锁；不能全部消除，则此时一定发生了死锁，且连着边的节点就是发生死锁的进程。
② 死锁解除
a. 资源剥夺法
b. 撤销进程法（终止进程法）
c. 进程回退法
