OS1_进程与线程的管理
序言
1.OS以进程、线程的方式在CPU中执行静态保存在外存(内存)中的程序，进程的构成与状态转化，特别是进程的切换；
2.当有多个进程处于就绪态，有哪些常见的挑选以执行方式；
3.并发执行(乱序发射)的进程，共享内存等资源，很可能修改其他程序的变量，需作同步处理来控制；
此外有些资源如打印机不能共享，需作互斥处理；
Question
- 程序分割成线程执行的代码怎么写？用进程管理程序实现，python如何可以实现多线程并行吗，如何实现？
- 为什么用户级线程中，1个线程因系统调用被阻塞会导致其他线程也被阻塞？
因为在大多数操作系统中，内核是单线程运行的，所以当一个线程被阻塞时，它会释放CPU资源。这将导致其他线程在等待CPU资源时也被阻塞，其他线程只能要么等待，无法保存现场（工作在用户层）再切换，produce block。
在内核级线程中，中断的保存/恢复现场为内核的功能，可以实现线程间的调度，且支持多处理机。
在组合方式中，
a. 用户进程的多个线程对应内核级的多个线程，用户1个线程系统调用的内核级线程A被阻塞，CPU可以切换到其他线程的不同内核级线程B；
b. 多核处理器可对应多个内核级线程；
- 系统动态DLL库是个玩意？
进程
- 进程是一段指令流，还是？process=PCB+data section+code section
PCB=处理器(时间片轮转比其他设备周期短，单成1列)+其他资源+进程控制与管理信息+PIDUUID - 不同的进程是如何利用系统资源(IO，MM，CPU)的？
- 进程之间如何通信？进程如何运转？
线程
- 线程是处理器调度与分配的基本单元
- 进程是除了处理器之外其他资源的分配单位——IO，MM的分配单元
进程调度
- 线程的调度类似，不过同一个进程的线程切换不用替换进程上下文，运行时间的算法需要更新(更复杂了)
同步与互斥
同步与互斥都围绕共享资源的使用：
1.对于那些只能被单独访问的共享资源，要做互斥处理；
2.对于那些可以被共享访问的资源，虽然RAR没问题，但RAW，WAR，WAW 均可能导致最终的共享资源结果不同，要作同步处理。
互斥可通过用户程序中使用API实现lock和release
- 数据库中，为了防止数据的脏读，需要给数据表或表项加上二阶段锁或S锁，
- 为什么要引入同步与互斥？——进程之间共享资源，不同进程并发执行，封闭性丧失，为了得到逻辑正确的结果。
- 临界资源：一次只能被1个进程访问的资源
- 临界区：访问临界资源的代码；
- 进入区：访问临界资源前，要把临界区的标志设置为正在访问；
- 退出区：将正在访问的临界区的signal清除；
- 剩余区：代码中的其余部分？
- 同步：如A和B通过缓冲区实现数据传送，缓冲区满了，A必须等待B读取数据，才能接着传送；缓冲区空，B必须等待A传入数据，才能接着传送；缓冲区相比于机制，再与缓冲区大小固定。
- 互斥：对临界资源的访问；而同步，是为了正确完成任务而协调工作次序；
双标志互斥alg的问题是进程的线程乱序执行导致的，只有Peterson alg能在所有乱序执行保证同步的3大准则：
空则让进，忙则等待，有限等待，(让权等待)。
硬件实现有中断屏蔽和硬件指令2种方法：
- 中断屏蔽：关中断，临界区，开中断。
- 硬件指令方法：TestandSet或Swap原子操作
boolean TestandSet(boolean *lock){
boolean old;
old=*lock;
*lock=true;
return old;;
}
while TestandSet(&lock);
临界区
lock=false；
剩余区
comment:
- 为每个临界资源设置一个共享布尔变量
- 和下面的Swap都是互斥锁
Swap(boolean *a,boolean *b){
boolean temp;
temp=*a;
*a=*b;
*b=temp;
}
key=true;
while(key!=false)
swap(&key,&lock);
临界区
lock=false
剩余代码
comment:
- 当lock=false（代表资源空闲），设置key=false，lock=ture，标识该进程独占临界资源；
- swap和testandset其实是硬件原子操作，不可分，不会出现多个进程进入lock=false的swap函数，不会出现共用临界资源；
- 当lock=true，未得到临界资源的进程会一直while查询，占用处理机资源，不能实现让权等待；
对比
实现临界区互斥的硬件方法和软件方法各有什么优势？
硬件方法的优势：
原子性操作：硬件方法通常使用特定的指令或硬件机制来实现原子操作，如原子交换（Atomic Exchange）或测试并设置（Test-and-Set）。这些操作在硬件级别上保证了操作的原子性(不会出现共用临界资源)，无需额外的软件开销。
性能：硬件方法通常比软件方法更高效，因为它们直接利用了硬件的特性，如高速缓存和并行处理能力。这使得硬件方法更适合于对性能要求较高的应用场景。
软件方法的优势：
可移植性：软件方法不依赖于特定的硬件指令或机制，因此更易于在不同的平台上实现和移植。这使得软件方法更具通用性，可以应用于不同类型的系统和架构。
灵活性：软件方法通常可以更灵活地实现复杂的同步机制，如信号量、条件变量等。这些机制提供了更多的控制和功能，可以满足不同线程同步需求。
容错性：软件方法可以在一些特殊情况下提供更好的容错性。例如，当硬件出现故障或不支持某些原子操作时，软件方法可以通过算法和复杂的同步机制来弥补。
需要注意的是，硬件方法和软件方法并不是互斥的选择，它们可以结合使用来提供更可靠和高效的同步机制。例如，硬件指令可以用于实现基本的原子操作，而软件方法可以用于构建更复杂的同步机制。选择何种方法取决于具体的应用需求、平台特性和性能要求。
解决临界区——互斥锁+信号量
互斥锁更easy
acquire(){
//锁被占用则等待
while(available!=true)
;
//锁空闲，占用后，将锁设为false
available=false；
}
release(){ //释放锁
available=true；
}
信号量（系统中的资源数目）mechanism
采用两个不可中断(软件中由屏蔽中断方法实现）的原语——wait和signal来管理
整形信号量
wait(S){ //请求资源
while(S<=0) ； //若没有资源，则等待
S--; //占用资源，S--
}
signal(S){
S++; //释放资源
}
Defect：wait在无资源可用，会一直occupy cpu——while query，违背 让权等待
记录型信号量
- S.value>0，表示可用的资源数目；
- S.value<=0，标识阻塞的进程数目；
- 每种资源对应1个S
typedef struct{
int value;
struct process *L;
} semaphore(信号量);
请求资源
void wait(semaphore S){
S.value--; //S>0则资源数--;S<0则阻塞进程数++;
if(S.value<0){
add this process to S.L;
block(S.L);
}
}
释放资源
voic signal(semaphore S){
S.value++; //资源数++或阻塞进程数--
if(S.value<0){ //若为后者，唤醒该进程——资源来临
remove process P from S.L;
wakeup(P);
}
}
信号量的饮用
只有互斥用到了临界资源；
同步和前驱只关于特定变量的逻辑序；
同步
——进程按照(资源的)特定顺序执行
semaphore S=0;
P1(){
x;
V(S);
...
}
P2(){
...
P(S);
y;
...
}
互斥——只有1个进程能进入临界区
- P(S)请求资源；V(S)释放资源
semaphore S=1;
P1(){
...
P(S);
critical area;
V(S);
}
P2(){
...
P(S);
critical area;
V(S);
}
用同步实现前驱关系——每个偏序关系用1个资源
S1(){
V(a1);
}
S2(){
P(a1);
V(b1);V(b2);
}
分析同步、互斥、前驱关系，设置信号量，确定P,V
管程
背景：针对每个共享变量，所有使用变量都要设置P(),V()操作；
改进：每个共享资源，只要1个共享数据结构demo来管理；
管程=类，成员变量为共享资源的数目，成员函数为对共享资源的操作，如对互斥变量的take_away和release，
多个共享资源可以用记录型信号量表示，
不知道为什么要把条件变量单独拎出来，用来表示进程被阻塞的原因，
- 如果两个进程有先后关系，它们之间可以一个条件变量的lock和release，
- 互斥资源可以且应该用条件变量表示，就是整数型信号量
互斥问题的求解
- 互斥资源的访问用锁表示，
- 像生产者、消费者问题，明明可以用num表示缓冲区的数目，为了符合P(锁),V(释放)的形式(值得唾弃)，
用full和empty两个信号量，并用mutex实现对full和empty的互斥修改（simultaneously 只有一个生产者/消费这个能访问缓冲区)——然鹅并不是～～ - 像放苹果橘子问题，可以把事件的同步与互斥用箭头表示，每个同步关系用一个针对互斥资源的P()，V()表示；
- 读者-写者问题，终于用count表示
资源读者的数量，为了count错误修改，自然加个mutex的PV锁；
写者与其他人的互斥用rw锁表示，读者与写者的互斥，读者的同步(on count)非常秀——but only分条件，进行rw的判断，所以应该放开编程，appleorange也可以进行while(apple=0 and orange=0)的判断，不用和书上一致； - 吸烟者问题，吸完烟要向供应商发信号，也要用个锁～～
死锁
- 可剥夺资源：优先级高的可以抢占优先级低的进程的资源；
- 有循环等待未必构成死锁，
- 若每类资源只有1个资源，资源分配图含圈 ↔ \leftrightarrow ↔ 系统出现死锁
PS：CSDN图片id用的是128位的散列值
死锁处理
安全状态：按照某种推进顺序，能满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程可顺序完成；
死锁避免在分配资源给进程的过程中拒绝进入dangerous state
banker’s alg一般都是DFS+回溯，可以用BFS？
破圈法是为了寻找有环图的最小生成树，
死锁检测定理——待证
1）找出非阻塞(请求的资源数量均不大于系统的空闲资源数量）的非孤立进程Pi，释放Pi所有资源；
2）重复1），若消去所有边，图可完全简化 ↔ \leftrightarrow ↔ 不死锁；
预防中的消除循环等待和请求并保持，均不可行，
