第２章 进程管理
进程管理
1）进程与线程
2）处理器调度
3）进程同步
4）死锁
2.1 进程与线程
知识框架：
2.1.1 进程的概念和特性
1.进程的概念
——为何引入：多道程序下，允许多个程序并发执行，此时他们将失去封闭性，并具有间断性以及不可再现性的特征。引入进程，以便于更好的描述和控制多道程序的并发执行，实现现代OS的并发性和共享性（最基本的两个特性）
——系统用PCB来描述进程的基本情况和运行状态，进而控制和管理进程。由程序段、相关数据段和PCB三部分组成进程映像（即进程实体）
进程映像是静态的，进程则是动态的
——进程定义：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独立单位。
２.进程的特性
1）动态性——最基本的特性
2）并发行
3）独立性
4）异步性
5）结构性
2.1.2 进程的状态与转换
1）运行状态
2）就绪状态
3）阻塞状态
4）创建状态：申请空白PCB->填入控制和管理进程信息->系统分配必要资源->转入就绪
5）结束状态
状态转化图如下：
注意区别就绪状态和等待状态：
就绪状态仅缺少处理机，只要获得处理机资源就立即执行；等待状态是指需要其他资源（除了处理机）或等待某一事件。在分时系统的时间片轮转机制中，进程在运行中实际上是频繁的转换到就绪状态的；而其他资源（如外设）的使用和分配或者某一事件的发生（如I/O操作完成）相对时间较长，这样来看，区分很有必要。
2.1.3 进程控制
1）进程的创建与终止
3）进程的阻塞与唤醒
4）进程切换
切换过程：
１：保存处理机上下文
２：更新PCB
３：进程PCB移入相应队列，如就绪、阻塞等队列
４：选择另一个进程执行，并更新其PCB。
５：更新内存管理的数据结构
５）恢复处理机上下文
——注意：进程切换与处理机模式切换是不同的，模式切换时，处理机逻辑上可能还在同一进程中运行。还有，”调度“与“切换”区别，调度是决策，切换是实际分配行为。一般，先有资源调度，后有进程切换。
2.1.4 进程的组织
1.进程控制块（PCB）
2.程序段
3.数据段
2.1.5 进程的通信
进程的通信是指进程间的信息交换。PV操作是低级通信方式，高级通信是指以较高的效率传输大量数据的通信方式。主要分三类：
1.共享存储
2.消息传递
3.管道通信（半双工通信，某一时刻单向传输）
2.1.6 线程概念与多线程模型
1.线程的基本概念
——为何引入：减少程序在并发执行时的时空开销，提高OS的并发性能
线程可理解为”轻量级进程“，是基本的CPU执行单元，是程序执行的最小单元，由线程ＩＤ、程序计数器、寄存器集合和堆栈组成。线程是进程中的一个实体，是被独立调度和分配的基本单元，线程不拥有系统资源，只拥有一点在运行时必不可少的资源 。
——引入线程之后，进程只作为处CPU以外系统资源的分配单位，线程则作为处理机的分配单元。一个线程内有多个进程，如果线程的切换在同一个进程内，则只需很少的时空开销
２.线程与进程的比较
３.线程的属性
首先，同一进程或不同进程的线程都可以并发执行
１）线程是一个轻型实体
２）不同线程可以执行相同的程序
３）同一进程中的各个线程共享该进程拥有的资源
４）线程是处理机的独立调度单位，多个线程可以并发执行
５）线程同进程一样也具有生命周期
线程提出有利于提高系统并发性的理解：有了线程，线程切换时，进程可能切换，也可能不切换，一平均每次切换所需时空开销就小了。
４.线程的实现方式
分为用户级线程与内核级线程
５.多线程模型
１）多对一，即多个用户级线程映射到一个内核级线程，线程管理在用户空间完成
优点：效率高
缺点：当一个进程在使用内核服务时阻塞，整个进程都会阻塞；多个进程不能运行在处理机。
１）一对一，即一个用户级线程映射到一个内核级线程
不容易阻塞，但效率低
３）多对多，即ｎ个用户级线程映射到ｍ个内核级线程（ｍ＜＝ｎ）
特带：上述两模型折中，既克服了多对一并发度不高，又克服了一对一模型的一个用户进程占用太多内核级进程，开销太大的缺点。
2.２处理机调度
本节框架：
处理机调度引入：合理的处理计算机软硬件资源
2.２.１调度的概念
１．调度的基本概念
——在多道程序中，进程数量往往多于处理机个数，进程争夺处理机现象在所难免，因此要对处理机进行分配，就是从就绪队列中，按照一定算法（公平、高效）选择一个进程分配处理机给予运行，以实现程序的并发执行。
２．调度的层次
３．三级调度的联系
１）作业调度为进程活动做准备，进程调度使进程正常活动起来，中级调度则将暂时不能运行的进程挂起，中级调度又称内存调度，处于两者之间
２）调度频率从作业到内存到进程递减
３）进程调度是最基本的，不可缺少
说明：作业是用户提交的，进程则有系统自动生成。作业以用户任务为单位，进程以OS控制为单位
2.２.２调度的时机、切换与过程
——进程调度和切换程序是ＯＳ内核程序，当请求调度事件发生后，才可能会运行进程调度程序，当调度了新的就绪进程后，才有可能进行进程间的切换。
不能立刻进行处理机调度的情况：
2.２.３进程调度方式
１）非剥调度夺方式
２）剥夺调度方式
2.２.４调度准则
2.２.５调度的典型方法
说明：
１）高响应比优先调度算法、时间片轮转法、多级反馈队列调度，适用于分时系统；抢占式优先级调度算法适用于实时系统
２）时间轮转法是绝对可抢占的，此算法增加了系统开销，吞吐量和周转ｔ不如批系统，但快速响应ｔ使得用户和计算机交互，改善了人机环境，满足了用户需求。
2.３进程同步
知识框架：
2.３.１进程同步的基本概念
１．临界资源
定义：一次仅允许一个进程使用，如打印机，共享变量等
把访问临界资源的那段代码称为临界区
临界资源可划分四部分：
１）进入区，在此设置访问临界区的标志，防止其他进程同时进入
２）临界区，访问临界区的那段代码
３）退出区，将正在访问临界区的标志清除
４）剩余区
do{
entry section; //进入区
critical section; //临界区
exit section; //退出区
remainder section; //剩余区
}while(true);
２.同步
同步是指为完成某种任务而建立两个或者多个进程，这些进程因为需要在某些位置上的协调他们的工作次序而等待、传递信息而产生的制约关系。
３.互斥
互斥是指当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待，当占用临界资源的进程退出临界区后，才允许另一进程访问此临界资源。
为禁止两个进程同时进入临界区，同步机制应该遵守以下规则：
１）空闲让进
２）忙则等待
３）有限等待
４）让权等待
2.３.２实现临界区互斥方法
１.软件方法
１）单标志法
ｔｕｒｎ＝０，则允许Ｐ０进入。
缺点：违背＂空闲让进＂，两个进程必须交替进入临界区，若某个进程不再进入临界区，则另一个进程也无法进入临界区。
P0进程: P1进程：
while(turn); while(turn);
critical section; critical section;
trun=1; turn=0;
remainder section remainder section;
２）双标志先检查
优点：不用交替进入，可连续使用
缺点：违背“忙则等待”，Ｐｉ和Ｐｊ可能同时进入临界区，按１，２，３，４执行时，会同时进入临界区。即在检查对方ｆｌａｇ之后和切换自己ｆｌａｇ之前有一段时间，结果都检查通过
Pi进程: Pj进程:
while(flag[j]);１ while(flag[i]);２ //进入区
flag[i]=true; ３ flag[j]=true;４ //进入区
critical section; critical section; //临界区
flag[i]=false; falg[j]=false; //退出区
remainder section; remainder section; //剩余区
３）双标志后检查
缺点：可导致”饥饿“现象，当两个进程几乎同时想进入临界区，分别把自己的ｆｌａｇ置ｔｒｕｅ，并且检测对方状态，发现对方也想进入临界区，结果谁也进不了，从而“饥饿”
Pi进程: Pj进程:
flag[i]=true; flag[j]=true; //进入区
while(flag[j]); while(flag[i]); //进入区
critical section; critical section; //临界区
flag[i]=false; falg[j]=false; //退出区
remainder section; remainder section; //剩余区
４）Peterson‘ｓ Algorithm。
优点：即可互斥访问，也不会“饥饿”
Pi进程: Pj进程:
flag[i]=true;turn=j; flag[j]=true;turn=i;
while(flag[j]&&turn==j); while(flag[i]&&turn==i)
critical section; critical section;
falg[i]=false; flag[j]=false;
remainder section; remainder section;
具体如下：考虑Ｐｉ进程，若设置ｆｌａｇ［ｉ］＝ｔｒｕｅ，表示Ｐｉ进程想进入临界区，同时ｔｕｒｎ＝ｊ，如果Ｐｊ已在临界区，则符合Ｐｉ内while条件，则Ｐｉ不能进入临界区。若Ｐｊ不在临界区，ｗｈｉｌｅ不符合，则Ｐｉ顺利进入临界区。
２.硬件实现方法
１）中断屏蔽
ＣＰＵ只有在中断时才引起进程切换
２）硬件指令方法
ＴｅｓｔＡｎｄＳｅｔ指令：
TST(Test And Set lock)伪代码
do{
......
while(TST(&lock));
critical section;
lock=false;
......
}while(true);
分析：
１）当进程退出临界区时置ｌｏｃｋ为ｆａｌｓｅ，会唤醒处于就绪状态的进程。
２）等待进入临界区的进程会一直停留在while（TST（＆ｌｏｃｋ）循环中，不会主动放弃CPU，违反“让权等待”
2.３.３信号量
１）整形信号量
被定义于表示资源个数的整型量S。当Ｓ＜＝０时，会循环测试，未遵循“忙则等待”
２）记录型信号量（遵循“让权等待”）
数据结构如下：
typedef struct{
int value;
struct process *L;
} semaphore;
记录型信号量S中value意义：
１）初值表示系统中某类资源的个数
２）S．ｖａｌｕｅ＜０，表示系统已经没有可用的此类资源
３）S．ｖａｌｕｅ＜０，其绝对值表示S．Ｌ中因等待该资源而阻塞的进程个数
2.３.４管程
引入：为了解决临界区分散带来的管理和控制问题
组成：
１）局部于共享结构数据说明
２）对该组数据结构进行操作的一组过程
３）对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
ｅｍｍ，很像一个抽象类，有木有
2.３.５经典同步问题锦集
１）生产者和消费者
semaphore mutex=1;
semaphore empty=n; //空缓冲区
semaphore full=0; //初始化缓冲区为空
producer(){
while(true){
prodece an item in nextp;
P(empty); //用什么,P一下
P(mutex);
add next to buffer;
V(mutex);
V(full); //提供什么,V一下
}
}
consumer(){
while(true){
P(full);
P(mutex);
remove an item from buffer;
V(mutex);
V(empty);
consume the item;
}
}
注意：对empty和full变量的P操作必须放在对ｍｕｔｅｘ的Ｐ操作之前，否则有可能出现死锁。（死锁后面介绍）
２）读者——写者问题
３）哲学家进餐问题（５个哲学家为例）
思路：当一个哲学家两边都有筷子可用时，才允许他抓起筷子
semaphore chopstick[5]={1,1,1,1,1};
semaphore mutex=1;
Pi(){
do(){
P(mutex);
P(chopstick[i]);
P(chopstick[(i+1])%5);
V(mutex);
eat;
V(chopstick[i]);
V(chopstick[(i+1)%5]);
think;
}while(true);
}
４）吸烟者问题
问题描述：一个系统中有三个吸烟者进程和一个供应者进程。每个抽烟者不停卷烟并抽掉。抽烟者需要三种材料：烟草、纸和胶水。三个抽烟者中，１号有烟草，２号有纸，３号有胶水，供应者进程无限提供这三种材料，供应者每次将两种材料放桌上，拥有剩下那种材料的抽烟者卷烟并抽掉它，并给提供者一个信号告诉其完成了，供应者就放另外两种材料在桌上，一直重复这个过程。
int random; //存储随机数
semaphore offer1=0; //烟草和纸组合
semaphore offer2=0; //烟草和胶水组合
semaphore offer3=0; //纸和胶水组合
semaphore finish=0; //定义信号量表示烟是否抽完
process P1(){
while(true){
random=任取随机数；
random=random%3;
if(random==0)
V(offer1); //提供烟草和纸
else if(random==1)
V(offer2); //提供烟草和胶水
else
V(offer3); //提供纸和胶水
任意两种材料放桌上；
P(finish);
}
}
process P2(){ //拥有烟草者
while(1){
P(offer3);
拿纸和胶水，卷烟，抽烟;
V(finish);
}
}
process P2(){ //拥有纸者
while(1){
P(offer2);
拿烟草和胶水，卷烟，抽烟;
V(finish);
}
}
process P2(){ //拥有胶水者
while(1){
P(offer1);
拿烟草和纸，卷烟，抽烟;
V(finish);
}
}
2.４死锁
知识框架：
2.４.１死锁的概念：
１.死锁的定义
——所谓死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局（互相等待），若无外力作用，这些进程将无法向前推进。
２.死锁产生的原因
１）系统资源的竞争
２）进程的推进顺序非法
３）死锁产生的必要条件
＊＊互斥条件
＊＊不可剥夺条件
＊＊请求和保持条件
＊＊循环等待条件：
2.４.２死锁的处理策略
１）死锁预防
２）死锁避免
３）死锁的检测于解除
几种策略的比较：
2.４.３死锁的预防
破坏四个必要条件之一即可
１）破坏互斥
不太可行，并且有的场合需要保护这种互斥性
２）破坏不可剥夺条件
这种方法常用于易于保护和恢复的资源，如CPU的寄存器及内存资源，一般不能用于打印机之类的资源
３）破坏请求和保持条件
采用静态分配方法，一次申请所有需要资源，资源不足，不运行。一旦运行，资源一直归他所有。资源浪费严重，容易“饥饿”。
４）破坏循环等待条件
采用资源顺序分配法可实现。
2.４.４死锁避免
在资源动态分配过程时，防止系统进入不安全状态，以避免死锁发生
１.系统安全状态
所谓安全状态，是指系统按照某种进程推进顺序（Ｐ１、Ｐ２．．Pｎ），为每个进程分配所需资源，直到满足进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利完成任务。此时Ｐ１、Ｐ２．．Pｎ为安全序列。如果无法找到一个安全序列，则系统处于不安全状态
说明：不安全状态不一定死锁，但系统若处于安全状态，便可以避免死锁。
２.银行家算法——避免死锁的典型算法
2.４.５死锁的检测和解除
１.资源分配图
２.死锁定理
系统状态S死锁的条件是当且仅当S状态的资源分配图是不可完全化简的，该条件为死锁定理
３.死锁解除
１）资源剥夺法
２）撤销进程法
３）进程回退法