[操作系统笔记]调度与死锁杂项知识点

部分定义截取自书本

管态和目态

这说的是处理机的执行状态

管态又称为特权态，系统态，核心态。CPU在管态下可以执行指令系统的全集。如果程序处于管态，则该程序可以访问计算机的任何资源，它的资源访问权限不受限制，通常，操作系统在管态下运行。

目态又称为常态或者用户态。机器处于目态时，程序只能执行非特权指令，不能直接使用系统资源，也不能改变CPU的工作状态，并且只能访问这个用户程序自己的存储空间。

一般情况下，用户程序只能在用户态运行

管态时可以执行所有指令(除访管指令)

目态到管态的切换方式

• 系统调用
• 异常
• I/O设备的中断

其中系统调用可以认为用户进程主动发起，异常和外部设备中断是被动的

从目态到管态的转换是由硬件完成的，因为此操作频繁且快速，所以需要硬件实现

访管指令

访管指令不是特权指令

访管指令是可以在目态下执行的指令。用以解决用户程序要完成在目态下无法完成的工作的问题。用户程序的访管指令在执行时被中央处理器取到，就产生一个中断事件，中断装置就会把中央处理器转换成管态，并让操作系统处理该中断事件。操作系统分析访管指令中的参数，在管态下由操作系统完成用户程序的请求。系统调用功能完成后，操作系统把中央处理器的管态改为目态，并返回到用户程序。

中断

可以看计算机组成原理——程序中断方式

用户程序在目态下使用特权指令引起的中断属于：访管中断

由当前正在执行的进程之外的源引起的中断属于：外部中断

中断处理是操作系统必须提供的功能

中断系统一般由相应的硬件和软件组成的。（一般的中断请求由硬件实现，中断处理由软件完成）

计算机系统中判断是否有中断事件发生应是在执行完一条指令后

能影响中断响应次序的技术是中断屏蔽技术

中断是现代操作系统必须提供的功能

PV操作与信号量

用PV操作实现进程间的同步和互斥，PV操作分为P操作原语和V操作原语，操作对象是信号量。

用V操作唤醒一个等待进程时，进程进入就绪态，并且能够唤醒说明原本mutex值小于0，

• 互斥信号量初值只能为1（取值范围只有-1、0、1）
• 用作同步的信号量初值需要根据问题来确定（用户决定，大于等于0）

操作	行为	作用
P操作（wait）	将信号量的值减1	如果信号量>=0，则该进程继续执行，否则进程进入等待队列，置为等待状态
V操作（signal）	将信号量的值加1	如果信号量>0，则该进程继续执行，否则释放等待队列中第一个等待信号量的进程

注意这里的继续执行条件，P是信号量>=0，而V是信号量>0，这是不一样的（看下面代码就一目了然了）。

拿互斥信号量S举例子，初始值为1，有一个进程A要使用临界资源，于是A.wait(S)，此时S为0，还是可以执行的。然后另一个进程B也要使用临界资源，于是B.wait(S)，但是执行不到S--，一直在while循环，所以不能执行临界区操作。只有A用完了临界资源并A.signal(S)，此时S变为了1，然后正在执行且卡在while循环里的B.wait(S)就能运行到S--，然后B.wait(S)就执行完了，就可以执行B要进行的临界区操作了。

wait(S){
	while(S <= 0);
	S--;
}
signal(S){
	S++;
}

图解及题目看这个：图解PV操作

临界资源与临界区

临界区：每个进程中访问临界资源的那段程序

临界资源：一次仅允许一个进程使用的共享资源。

临界区是系统提供的一种数据结构，程序中可以声明一个该类型的变量，之后用它来实现对资源的互斥访问。

调度原则

1. 如果有若干进程请求进入空闲的临界区（空闲即0进程访问），一次仅允许一个进程进入。
2. 任何时候，处于临界区内的进程不可多于一个（0或1），若已有进程进入自己的临界区，则其它想进入自己临界区的进程必须等待。
3. 进行临界区的进程要在有限时间内退出，以便其它进程能及时进入自己的临界区。
4. 如果其它进程不能进入自己的临界区，则应让出CPU，避免进程出现“忙等”现象。

进程与进程状态

详细内容看这篇【操作系统】第六话·线程是进程的(宝ᴗ宝)嘛？

引入进程的目的：更好地使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量。

引入线程的目的：减小程序在并发执行时所付出的时空开销，提高操作系统的并发性能

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• 一个进程至少包含一个主线程（没说一定包含多个线程）

• 线程是比进程更小的（但不能独立运行的）基本单位

• 同一个进程中线程切换不会引起进程切换，不同进程的线程切换会引起进程切换。

进程调度

进程调度(Process Scheduling)是指操作系统按某种策略或规则选择进程占用CPU进行运行的过程。

所以提到“进程被调度程序选中”，一定是由就绪态到运行态

进程死锁

死锁状态一定是不安全状态，产生死锁的根本原因是系统资源分配不足和进程推进顺序非法，资源的有序分配策略可以破坏死锁的循环等待条件

虽然进程在运行过程中可能会发生死锁，但产生进程死锁是必须具备一定条件的。综上所述不难看出，产生死锁必须同时具备下面四个必要条件，只要其中任一个条件不成立，死锁就不会发生：

(1)互斥条件。进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内，某资源只能被一个进程占用。如果此时还有其它进程请求该资源，则请求进程只能等待，直至占有该资源的进程用毕释放。

(2)请求和保持条件。进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程被阻塞，但对自己已获得的资源保持不放。

(3)不可抢占条件。进程已获得的资源在未使用完之前不能被抢占，只能在进程使用完时由自己释放。

(4)循环等待条件。在发生死锁时，必然存在一个进程一资源的循环链，即进程集合$P_0,P_1,P_2,\dots ,P_n$中的$P_0$正在等待一个$P_1$占用的资源，$P_1$正在等待$P_2$占用的资源，……，$P_n$正在等待已被$P_0$占用的资源。

有序资源分配法是死锁的预防策略

资源分配图及其化简

（图源网络）书本上讲的老费劲了，其实很简单，甭管图长什么样子，圆圈代表进程，方框代表资源类型，方框中的圆圈/点代表该类资源中的一个资源。

• 指向进程的代表已分配
• 从进程指出去的代表请求

这就完事了。比如说上右图，R1指向P2就是说R1类型的一个资源分配给了进程P2，P3指向R3则意味着进程P3请求一个R3类型的资源

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化简的结果只有两种，死锁或不死锁

或者说化简的目的就是检测检测系统处于该状态是否死锁

“请求”就是“有商榷余地”，比如上面图a，$P_1$和$P_2$都请求$R_2$且$R_2$尚有一个空余，此时单拿某个进程（比如$P_2$）看，不看来自其他进程（相应的就是$P_1$）的请求分配，那么它可以满足运行的资源需求，所以可以删掉。但是图b就是死锁状态。

B站的这道题目解析：死锁定理

银行家算法

首先就是安全状态和安全序列。

安全状态就是安全性算法要确保的，就是从进程集合中找某个进程，它已分配的资源（或者加上现有的可分配的资源）能执行，然后让它执行了，释放掉所有资源，然后看剩余的进程集合，继续按上面的要求找，直到所有进程都执行且释放了，这个执行的顺序就是安全序列。也可能找不到，那么就没有安全序列。

不如看看这个：操作系统银行家算法模拟实现（C语言版）

系统处于不安全状态未必死锁，因为资源的释放可以打破死锁。系统处于不安全状态一定死锁（即死锁时一定处于不安全状态）

解除死锁

• 资源剥夺法
• 撤销进程

一般不从非死锁进程处抢夺资源

题目

下列调度算法中，( ) 调度算法是绝对可抢占的。

A. 先来先服务
B. 时间片轮转
C. 优先级
D. 短进程优先

时间片轮转

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下列关于死锁的说法正确的有( )。
I.死锁状态一定是不安全状态
II.产生死锁的根本原因是系统资源分配不足和进程推进顺序非法
III.资源的有序分配策略可以破坏死锁的循环等待条件
IV.采用资源剥夺法可以解除死锁,还可以采用撤销进程方法解除死锁

全正确

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关于优先权大小的论述中，正确的是()。

A、计算型作业的优先权，应高于IO型作业的优先权
B、用户进程的优先权，应高于系统进程的优先权
C、在动态优先权中，随着作业等待时间的增加，其优先权将随之下降
D、在动态优先权中，随着进程执行时间的增加，其优先权降低

D。I/O设备和CPU可以并行工作。

【要点】：优先让I/O繁忙型作业优先运行的话，可以使I/O设备尽早投入工作。从而使资源利用率，系统吞吐量得到提升。

系统进程(如接收进程、对换进程、磁盘 I/O 进程)的优先权高于一般用户进程的优先权。对资源需求少的进程应赋予较高的优先权。

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某计算机系统中有8台打印机,由K个进程竞争使用,每个进程最多需要3台打印机。该系统可能发生死锁的K的最小值是____

4，意思是4个进程，每个都需要3台打印机时，且都得到两台（此时无剩余），所以死锁

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三个进程共享四个同类资源,这些资源的分配与释放只能一次一个。已知每-一个进程最多需要两个该类资源,则该系统( )。

A、有些进程可能永远得不到该类资源
B、必然有死锁
C、进程请求该类资源必然能得到
D、必然是死锁

C

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系统的资源分配图在下列情况中,无法判断是否处于死锁的情况有()。
I.出现了环路
II.没有环路
II.每种资源只有一个,并出现环路
IV.每个进程结点至少有一条请求边

A、I、II、III、IV
B、I、II、IV
C、I、IV
D、以上答案都不正确

C

• 出现了环路只是满足了循环等待的必要条件，满足必要条件不一定会导致死锁
• 没有环路一定不会死锁
• 如果每种资源只有一个,并出现环路，是一定死锁的（不是题目中的无法判断）

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系统中有3个不同的临界资源R1、R2和R3，被4个进程p1、p2、p3及p4共享。各进程对资源的需求为: p1申请R1和R2，p2申请R2和R3，p3 申请R1和R3，p4申请R2。若系统出现死锁，则处于死锁状态的进程数至少是( )。
A、1
B、2
C、3
D、4

C。画个图就出来了

这个图是需求关系

R_1

R_2

R_3

p1

p2

p3

p4

这是一种死锁情况（虚线是由于别的进程占有而分配不成的情况）

R_1

R_2

R_3

p1

p2

p3

p4

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若系统S1采用死锁避免方法,S2采用死锁检测方法。下列叙述中,正确的是()。
I. S1会限制用户申请资源的顺序,而S2不会
II. S1需要进程运行所需资源总量信息,而S2不需要
III. S1不会给可能导致死锁的进程分配资源,而S2会
A、仅I、II
B、仅II、III
C、仅I、III
D、I、II、III

B

资源分配顺序和用户的申请顺序是两码事，不过都会限制资源分配顺序

其他

操作系统提供给应用程序的接口是系统调用（不是库函数）

分时操作系统的时间片一定,那么用户数越多，则响应时间越长（用户数越多，单位时间就变长，则执行一次时间变长，即响应时间长）