操作系统-进程和线程介绍、死锁处理

操作系统中的进程和线程
死锁与死锁处理

进程和线程

进程

创建进程

进程执行过程中通过进程创建系统调用创建新进程，每个进程有唯一进程标识符pid，通常是一个整数值；Windows中使用CreateProcess()与
fock()中父进程生成子进程类似;

    然而父进程创建子进程两种执行可能：父进程与子进程并发执行；父进程等待，直到某个或者全部子进程结束；
    新进程的地址空间也有两种可能：子进程是父进程的复制品（相同的程序和数据）；子进程装入另一个新程序；

    为了说明这些不同实现，看一下Unix系统，在Unix中，每个进程都用一个唯一的整数形式的进程标识符来标识，通过fork()系统调用
    可创建新进程，新进程赋值原来进程的地址空间而成。这种机制允许父子进程方便通信。两个进程都继续执行位于系统调用fork()之后
    的指令，但是有一点不同，子进程系统调用fork()返回值0，而父进程则返回值为子进程的标识符（非零）；
    通常，在系统调用fork()之后，一个进程会使用系统调用exec()，以用新程序来取代进程的内存空间，系统调用exec()将二进制文件装
    入内存（消除了原来包含系统调用exec()的程序的内存映射），并开始执行，采用这种方式，两个进程能互相通信，并按各自的方法执行。
    父进程能创建更多的子进程，或者如果在子进程运行时没什么可做，那么它采用系统调用wait()把自己移出就绪队列来等待子进程的终止；

进程状态

新的：进程正在被创建
运行：指令正在被执行
等待：进程等待某个事件的发生(如i/o完成或收到信号)
就绪：进程等待分配处理器、终止：进程完成执行

进程状态转换图：

从左到右，新的-终止，中间就绪和运行，然而就绪和运行存在等待，几个状态互相转化；

进程控制块PCB

能感知进程的存在，是进程存在的唯一标识，包含许多与一个特定进程的相关信息，如进程状态，进程编号，程序计数器，CPU寄存器，内存界限，
CPU调度信息，内存管理信息等；

程序计数器：进程要执行的下个指令的地址；

CPU寄存器：根据计算机体系结构的不同，寄存器数量和类型也不同，它们包括累加器，索引寄存器，堆栈指针，通用寄存器和其他条件码信息
寄存器，与程序计数器一起，这些状态信息在出现中断时也需要保存，以便进程以后能正确的继续执行；

CPU调度信息：这类信息包括进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数；内存管理信息，根据操作系统使用的内存系统，这类信息包括基址
和界限寄存器的值、页表和段表；

记账信息：这类信息包括CPU时间，实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量等；i/o状态信息，这些信息包括分配给进程的i/o设备
列表，打开的文件列表等；
简言之，PCB简单的作为这些信息的仓库，在不同进程间，信息不同；

进程调度

进程进入系统，会被加到作业队列中，该队列包括系统中所有进程，队列使用链表实现，头结点指向链表的第一个和最后一个PCB的指针，每个
PCB包括一个指向就绪队列的下一个PCB指针域；

线程

线程是CPU使用的基本单元，由线程ID、程序计数器、寄存器集合和栈组成，属于同一个进程的其他线程共享代码段、数据段、和其他操作系统资源；
多线程编程优点：响应度高、资源共享、经济（内存和资源分配）、多处理器体系结构的利用；

区别

进程是程序在处理机中的一次运行。一个进程既包括其所要执行的指令，也包括了执行指令所需的系统资源，不同进程所占用的系统资源相对独立。
所以进程是重量级的任务，它们之间的通信和转换都需要操作系统付出较大的开销。线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。

线程自己基本上不拥有系统资源，但它可以与同属一个进程的其他线程共享进程所拥有的全部资源。所以线程是轻量级的任务，它们之间的通信和
转换只需要较小的系统开销。

死锁的发生与处理

死锁条件

四种条件同时满足则发生死锁：
    正常情况下，进程只能 申请-使用-释放 来使用资源，死锁的必要条件：
    1、互斥：至少有一个资源出于非共享模式，即一次只有一个进程使用，如果一个进程想要申请该资源，则需要等到该资源被释放； 
    2、占有并等待：一个进程必须占有至少一个资源，并等待另一个资源，且该资源为其他进程占有； 
    3、非抢占：资源不能被抢占，资源只能在进程完成任务后自动释放； 
    4、循环等待：一组等待进程，前一个进程等待的资源被后一个占有，然后最后一个进程等待的资源被第一个占有；
    这四个条件同时满足，则死锁，

死锁处理

三种：
1、使用协议预防或避免死锁，确保系统不会进入死锁状态；
2、允许系统进入死锁状态，然后检测死锁，并加以恢复；
3、忽视这个问题，认为死锁不可能在系统里发生；

死锁预防或者死锁避免：确保死锁的必要条件不全部成立；

对于互斥来说：非共享资源，必须要有互斥条件，共享资源不要求互斥访问；

对于占有占有等待来说：当一个进程申请一个资源时，它不能占有其他资源，一种可以使用的协议就是每个进程在执行前申请并获得所有资源，可以实现
要求申请资源的系统调用在所有其他系统调用之前进行；另一种协议就是允许进程在没有资源时才可以申请资源，也就是他可以使用资源并再申请，但是
需要等他先把自己本来的资源释放才能申请；

对于非抢占：为了保证这条不成立，那么可以使用这样的协议：如果一个进程占有资源并申请另一个不能立即分配的资源，那么其现在已分配的资源都可
以被抢占，只有当进程获得其原有资源和所申请的资源时，进程才能重新执行；换句话说，如果一个进程申请一些资源，那么先检查资源是否可用，可用
就分配，如果不可用，那么就检查这些资源是否已经分配给其他等待额外资源的进程，如果是，那么就抢占；

对于循环等待：要保证系统不出现循环等待，可以对所有资源类型进行完全排序，然后要求每个进程按照递增顺序来申请资源。就是比较资源的先后顺
序，每个进程按照递增顺序申请资源，如果需要同一资源的到某个实例，那么必须一起申请，然后想要申请低等级资源，那么先释放所有比该等级高的资
源；

总结

网上关于操作系统进程线程死锁这一块的说法大同小异，上述笔记来源于学校（SDU）使用教材
【OPERATING SYSTEM CONCEPTS(Seventh Edition)郑扣根 译】。另一文讲述关于操作系统的进程调度（CPU调度算法）。