进程通信、同步与调度
1. 进程通信（Process Communication）
进程协作有其根本性的需求，主要是出于四点：信息共享，通过并行提升计算速度，利于模块化以及方便性。因此也衍生出了进程通信（IPC）的需求。下面将概述IPC的相关内容。
进程通信用于进程之间的数据交换，主要有两种抽象模型：其一共享内存模型（Shared memory），其二消息传递模型（Message passing）。
顾名思义，采用共享内存的进程间通信需要建立共享内存区域，它们通过在共享内存区域读或写来交换信息。我们通过生产者—消费者模型对共享内存模型稍作研究。这个模型里，生产者进程产生信息以供消费者进程“消费”。为了能使这两种进程并发执行，必须要有一个缓冲来被生产者填充并为消费者所使用。缓冲可以看作一个队列，生产和消费可以分别看作入队和出队。这里缓冲分为两类，有限缓冲和无限缓冲，二者区别在于后者情况下，生产者无需等待，总是有缓冲区域存放其生产的消息。
对于消息传递模型，则不需要共享地址空间。消息传递工具需要至少提供两种操作：发送消息和接收消息。而这两种操作的关键在于通信线路（Communication Link）。这里我们只分析其逻辑实现，关注以下几个问题。命名：在直接通信中，需要通信的每个进程必须明确的命名通信的接收者或者发送者。这种方案会在二者之间自动建立线路。但是这样限制了进程定义的模块化。而在间接通信中，通过邮箱或者端口来传递消息。同步：消息传递可以是阻塞非阻塞的，也称为同步或者异步。很容易理解，即进程是否会因为send()或者receive()而阻塞。缓冲：通信交换的信息驻留在临时队列里，有三种实现方法：零容量，有限容量，无限容量。关键区别在于队列的大小不同，对发送者的阻塞情况不同，零容量必须阻塞发送，有限容量会在队列满了的时候阻塞发送，无限容量不会阻塞。
通过网络通信的进程需要使用一对sockets作为端点，由一个iP地址和一个端口号组成。Socket一般采用客户端-服务器结构，服务器通过监听指定端口来等待客户请求，收到请求后会自动连接。一般，1024以下的端口用于标准服务。
系统的不同部分操作资源，自然需要这些变化不相互影响，这是就需要进程同步。
总体来说，进程同步通过临界区来实现，临界区问题必须确保：互斥，前进，有限等待。临界区前后分别由进入区和退出区，其它为剩余区。
临界区问题有两类处理方法：抢占内核和非抢占内核。容易理解，非抢占内核数据从根本上不会导致竞争条件，而抢占内核情况下则复杂得多。但是考虑到后者在响应时间和实时编程的优势，这种复杂值得花费力气解决。这里讨论一些solution proposals。（a）使临界区不可被打断，与非抢占内核类似，进程在临界区内时不允许上下文切换，我们可以通过一个系统调用来实现这个需求。（b）严格轮换，但是忙等会浪费CPU资源。而且轮换如此严格，使连续多次执行某个进程的临界区成为不可能。（c）对严格轮换进行改进得到Peterson’s solution，使用了两个共享数据项int turn和boolean flag。但是同样会导致忙等，而且可能会使进程的优先权错位（d）在硬件上实现互斥锁，同样忙等。
实际最终我们选择的方案是——信号量。信号量是一种数据类型，只能通过两个标准原子操作访问wait()和signal()。信号量通常分为计数信号量和二进制信号量，后者有时称为互斥锁。可以使用二进制信号量处理多进程的临界区问题，而计数信号量可以用来控制访问具有若干实例的某种资源，此时信号量表示可用资源的数量。
当一个进程位于临界区时，其他试图进入临界区的进程必须在进入代码中连续地循环，这种称为自旋锁，会导致忙等。为了克服这一点可以修改wait()和signal()地定义——当一个进程执行wait()需要等待的时候，改为阻塞自己而不是忙等。阻塞操作将此进程放入到与信号量相关的等待队列中，状态改为等待，然后会选择另一个进程来执行。
考虑进程同步时，很重要的一点是避免死锁。死锁的特征包括：互斥、占有并等待、非抢占、循环等待。当死锁发生时，进程永远不能完成，所以必须解决。有三种方法：（1）使用协议确保死锁不发生（2）允许死锁然后检测恢复（3）认为死锁不存在。
首先明确，进程执行由CPU执行和I/O等待周期组成，进程在这两种状态之间且切换。因为运算资源CPU是有限的，所以为了提高利用率，在CPU空闲时，必须从就绪队列中选择一个进程执行，具体到如何选择，这就产生了调度。
调度应当满足以下准则：CPU使用率和吞吐量最大化，周转时间、等待时间和响应时间最小化。
稍微概述几种调度算法。
a) 先到先服务算法：即先请求cpu的进程先分配到进程，实现简单，但平均等待时间通常较长。考虑FCFS调度在动态情况下，会产生护航效果，会导致cpu和设备使用率变得很低。
b) 最短作业优先调度：cpu空闲时，它会赋给具有最短cpu区间的进程，SJF算法可证为最佳，其平均等待时间最小。但是困难在于如何知道下一个cpu区间的长度。一种方法是近似SJF调度，可以用以前cpu长度的指数平均来预测下一个区间长度。
c) 优先级调度：每个进程都会有一个优先级，具有最高优先级的进程会被分配到cpu。这种算法的主要问题是无穷阻塞或者饥饿，可以使用老化的方法来处理。
d) 轮转法调度：专门为分时系统设计，与FCFS类似，但是增加了抢占。这里定义了一个时间片，就绪队列作为循环队列，每个进程分配不超过一个时间片的cpu。
e) 多级队列调度：将就绪队列分为多个独立队列，根据进程属性每个队列有自己的调度算法。而且队列之间必须有调度，通常采用固定优先级抢占调度。例如，前台队列可以比后台队列具有绝对的优先级，这样也符合交互的要求。
f) 多级队列反馈调度：与多级队列相比，差异在于允许进程在队列之间移动。
如果在多个处理器的情况下，负载分配成为可能。一种方法是让一个处理器处理所有调度决定，成为非对称多处理。这种方法，数据共享的需要较小。另一种是对称多处理（SMP），每个处理器自我调度。
此外，进程在不同处理器转移时，第一个处理器缓存必须无效，第二个处理器缓存需要重构，这样做代价太高，所以SMP系统尽量避免这样做，试图提高处理器亲和性，努力使一个进程在用同一个处理器上运行。
为了更好的利用多处理器，更重要的一点是负载平衡，负载平衡通常有两种方法：Push migration和Pull migration，篇幅所限，此不赘述。
参考文献:
[1] Abraham Silberschatz. 操作系统概念. 高等教育出版社, 2007.3.
进程协作有其根本性的需求，主要是出于四点：信息共享，通过并行提升计算速度，利于模块化以及方便性。因此也衍生出了进程通信（IPC）的需求。下面将概述IPC的相关内容。
进程通信用于进程之间的数据交换，主要有两种抽象模型：其一共享内存模型（Shared memory），其二消息传递模型（Message passing）。
顾名思义，采用共享内存的进程间通信需要建立共享内存区域，它们通过在共享内存区域读或写来交换信息。我们通过生产者—消费者模型对共享内存模型稍作研究。这个模型里，生产者进程产生信息以供消费者进程“消费”。为了能使这两种进程并发执行，必须要有一个缓冲来被生产者填充并为消费者所使用。缓冲可以看作一个队列，生产和消费可以分别看作入队和出队。这里缓冲分为两类，有限缓冲和无限缓冲，二者区别在于后者情况下，生产者无需等待，总是有缓冲区域存放其生产的消息。
对于消息传递模型，则不需要共享地址空间。消息传递工具需要至少提供两种操作：发送消息和接收消息。而这两种操作的关键在于通信线路（Communication Link）。这里我们只分析其逻辑实现，关注以下几个问题。命名：在直接通信中，需要通信的每个进程必须明确的命名通信的接收者或者发送者。这种方案会在二者之间自动建立线路。但是这样限制了进程定义的模块化。而在间接通信中，通过邮箱或者端口来传递消息。同步：消息传递可以是阻塞非阻塞的，也称为同步或者异步。很容易理解，即进程是否会因为send()或者receive()而阻塞。缓冲：通信交换的信息驻留在临时队列里，有三种实现方法：零容量，有限容量，无限容量。关键区别在于队列的大小不同，对发送者的阻塞情况不同，零容量必须阻塞发送，有限容量会在队列满了的时候阻塞发送，无限容量不会阻塞。
通过网络通信的进程需要使用一对sockets作为端点，由一个iP地址和一个端口号组成。Socket一般采用客户端-服务器结构，服务器通过监听指定端口来等待客户请求，收到请求后会自动连接。一般，1024以下的端口用于标准服务。
除此之外，进程通信的方式还有管道（pipe）。管道分为普通管道和命名管道；两者都是半双工的。普通管道只能用于父子进程或兄弟进程间的通信，因为普通管道通过fork调用来拷贝文件描述符的，在文件系统中，普通管道并不对应物理文件。命名管道在文件系统中有物理文件存在，因此可以用于非亲属的进程间通信。
系统的不同部分操作资源，自然需要这些变化不相互影响，这是就需要进程同步。
总体来说，进程同步通过临界区来实现，临界区问题必须确保：互斥，前进，有限等待。临界区前后分别由进入区和退出区，其它为剩余区。
临界区问题有两类处理方法：抢占内核和非抢占内核。容易理解，非抢占内核数据从根本上不会导致竞争条件，而抢占内核情况下则复杂得多。但是考虑到后者在响应时间和实时编程的优势，这种复杂值得花费力气解决。这里讨论一些solution proposals。（a）使临界区不可被打断，与非抢占内核类似，进程在临界区内时不允许上下文切换，我们可以通过一个系统调用来实现这个需求。（b）严格轮换，但是忙等会浪费CPU资源。而且轮换如此严格，使连续多次执行某个进程的临界区成为不可能。（c）对严格轮换进行改进得到Peterson’s solution，使用了两个共享数据项int turn和boolean flag。但是同样会导致忙等，而且可能会使进程的优先权错位（d）在硬件上实现互斥锁，同样忙等。
实际最终我们选择的方案是——信号量。信号量是一种数据类型，只能通过两个标准原子操作访问wait()和signal()。信号量通常分为计数信号量和二进制信号量，后者有时称为互斥锁。可以使用二进制信号量处理多进程的临界区问题，而计数信号量可以用来控制访问具有若干实例的某种资源，此时信号量表示可用资源的数量。
当一个进程位于临界区时，其他试图进入临界区的进程必须在进入代码中连续地循环，这种称为自旋锁，会导致忙等。为了克服这一点可以修改wait()和signal()地定义——当一个进程执行wait()需要等待的时候，改为阻塞自己而不是忙等。阻塞操作将此进程放入到与信号量相关的等待队列中，状态改为等待，然后会选择另一个进程来执行。
考虑进程同步时，很重要的一点是避免死锁。死锁的特征包括：互斥、占有并等待、非抢占、循环等待。当死锁发生时，进程永远不能完成，所以必须解决。有三种方法：（1）使用协议确保死锁不发生（2）允许死锁然后检测恢复（3）认为死锁不存在。
此外，进程同步中有三个经典问题，用来检验新的同步方案——生产者消费者问题、读者-写者问题、哲学家进餐问题，可以用来分析中的各种情况包括死锁问题，这里不作具体分析。
首先明确，进程执行由CPU执行和I/O等待周期组成，进程在这两种状态之间且切换。因为运算资源CPU是有限的，所以为了提高利用率，在CPU空闲时，必须从就绪队列中选择一个进程执行，具体到如何选择，这就产生了调度。
调度应当满足以下准则：CPU使用率和吞吐量最大化，周转时间、等待时间和响应时间最小化。
稍微概述几种调度算法。
a) 先到先服务算法：即先请求cpu的进程先分配到进程，实现简单，但平均等待时间通常较长。考虑FCFS调度在动态情况下，会产生护航效果，会导致cpu和设备使用率变得很低。
b) 最短作业优先调度：cpu空闲时，它会赋给具有最短cpu区间的进程，SJF算法可证为最佳，其平均等待时间最小。但是困难在于如何知道下一个cpu区间的长度。一种方法是近似SJF调度，可以用以前cpu长度的指数平均来预测下一个区间长度。
c) 优先级调度：每个进程都会有一个优先级，具有最高优先级的进程会被分配到cpu。这种算法的主要问题是无穷阻塞或者饥饿，可以使用老化的方法来处理。
d) 轮转法调度：专门为分时系统设计，与FCFS类似，但是增加了抢占。这里定义了一个时间片，就绪队列作为循环队列，每个进程分配不超过一个时间片的cpu。
e) 多级队列调度：将就绪队列分为多个独立队列，根据进程属性每个队列有自己的调度算法。而且队列之间必须有调度，通常采用固定优先级抢占调度。例如，前台队列可以比后台队列具有绝对的优先级，这样也符合交互的要求。
f) 多级队列反馈调度：与多级队列相比，差异在于允许进程在队列之间移动。
如果在多个处理器的情况下，负载分配成为可能。一种方法是让一个处理器处理所有调度决定，成为非对称多处理。这种方法，数据共享的需要较小。另一种是对称多处理（SMP），每个处理器自我调度。
此外，进程在不同处理器转移时，第一个处理器缓存必须无效，第二个处理器缓存需要重构，这样做代价太高，所以SMP系统尽量避免这样做，试图提高处理器亲和性，努力使一个进程在用同一个处理器上运行。
为了更好的利用多处理器，更重要的一点是负载平衡，负载平衡通常有两种方法：Push migration和Pull migration，篇幅所限，此不赘述。
参考文献:
[1] Abraham Silberschatz. 操作系统概念. 高等教育出版社, 2007.3.