一、CPU调度策略（进程调度）
调度最终的目标是合理的使用CPU！！！
1.调度种类：
- 高级调度：(High-Level Scheduling)又称为作业调度，它决定把后备作业调入内存运行
- 中级调度：(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进行进程对换
- 低级调度：(Low-Level Scheduling)又称为进程调度，它决定把就绪队列的某进程获得CPU
2. 非抢占式调度与抢占式调度
非抢占式
- 分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生进程 调度进程 调度某事件 而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程
抢占式
-
操作系统将正在运行的进程强行暂停，由调度程序将CPU分配给其他就绪进程的调度方式
3.调度策略的设计
- 周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
- 响应时间：从操作发生到响应
- 内耗时间：吞吐量（完成的任务量）
吞吐量与响应时间的矛盾：
- 响应时间小 ---> 切换次数多 ---> 系统内耗大 ---> 吞吐量小
I/O约束型任务：CPU使用短区间多
CPU约束型任务：I/O使用短区间多
二、CPU调度算法
1. 先来先服务（FCFS） ：公平、简单、非抢占、不适合交互式
| 任务 | 到达时间 | CPU区间（ms） |
| P1 | 0.0001 | 10 |
| P2 | 0.0002 | 29 |
| P3 | 0.0003 | 3 |
| P4 | 0.0004 | 7 |
| P5 | 0.0005 | 12 |
平均周转时间：（10+39+42+49+61）/5 = 40.2
2.短作业优先（SJF）：保证最小的平均等待时间；不适合交互式
- SJF的可抢占版本，比SJF更有优势
如果调度结果为P1P2...PN，则平均周转时间为：
- P1+P1+P2+P1+P2+P3+...= ∑ ( n +1 - i ) Pi = nP1 + (n-1)P2+...
- 前面作业越短，平均周转时间越短
3. 优先权调度
- 每个任务关联一个优先权，调度优先权最高的任务
- 优先权太低的任务一直就绪，得不到运行，出现“饥饿”现象
- FCFS是RR的特例，SJF是优先权调度的特例。这些调度算法都不适合于交互式系统
4. 时间片轮转调度（RR）
- 时间片大：响应时间太长
- 时间片小：吞吐量小
- 折中：时间片 10 - 100ms ；切换时间为 0.1-1ms（1%）
- 优先级调度：前台任务>后台任务 ---> 后台任务产生饥饿
5. 多级队列调度：（没法区分I/O bound和CPU bound、存在一定程度的“饥饿”现象）
- 按照一定的规则建立多个进程队列
- 不同的队列有固定的优先级（高优先级有抢占权）
- 不同的队列可以给不同的时间片和采用不同的调度方法
6. 多级反馈队列
- 在多级队列的基础上，任务可以在队列之间移动，更细致的区分任务
- 可以根据“享用”CPU时间多少来移动队列，阻止“饥饿”
- 最通用的调度算法，多数OS都使用该方法或其变形，如UNIX、Windows等
三、Linux0.11中schedule():
阻塞的进程再就绪以后优先级高于非阻塞进程
counter作用整理：
- counter保证了响应时间的界：每个进程时间片最常为2P
c(0) = P
c(t) = c(t-1)/2 + P
c(∞) = P+P/2+P/4+...<=2P
经过I/O以后，counter就会变大，I/O时间越长，counter越大（优先级提高），照顾了I/O进程，变相照顾了前台进程
后台进程一直按照 counter 轮转，近似SJF调度
每一个进程只用维护一个counter变脸，简单、高效
- 固定优先级调度：后台任务产生饥饿
- 动态优先级调度：后台任务优先级提高，前台任务响应时间长
四、进程同步与信号量（多进程合作）
1.生产者 - 消费者实例（用户态程序）：
进程同步核心：等待
进程走走停停就是进程同步，保证多进程合作的合理有序
- 单纯的counter不能知道有多少个生产者被沉睡
- 导致后面进来的生产可能永远被sleep
- 所以需要信号量来决定是否发信息，即根据被sleep的生产者数量来决定发多少次唤醒
- 信号量：发信号 + 记录等待的进程（对应睡眠和唤醒）
2.信号量开始工作：
信号量：
- 一个确定的二元组（s，q），其中s是一个具有非负初值的整形变量，q是一个初始状态为空的队列，整形变量s表示系统中某类资源的数目：
- 当其值 ≥ 0 时，表示系统中当前可用资源的数目
- 当其值 ＜ 0 时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目
- 除信号量的初值外，信号量的值仅能由P操作和V操作更改，操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理
| 缓冲区满，P1执行 | P1 sleep | sem = -1 |
| P2执行 | P2 sleep | sem = -2 |
| 消费者C执行1次循环 | wakeup P1 | sem = -1 |
| C再执行1次 | wakeup P2 | sem = 0 |
| C再执行1次 | sem = 1 | |
| P3执行 | sem = 0 |
- 信号量 <=0 ，等待；信号量 > 0 ，执行
- 根据信号量的值，决定进程何时走何时停
3.信号量定义：
信号量：特殊整型变量，量用来记录，信号用来sleep和wakeup
V(semaphore s)
{
s.value ++
if(s.value <= 0){
wakeup(s.queue);}
}
4.信号量临界区保护
- 信号量保护：上锁
- 竞争条件：和调度有关的共享数据语义错误（语义错误和调度顺序有关）
- 临界区：一次只允许一个进程进入该进程的那一段代码
为什么要进行信号量保护：
- 信号量表达同步必须是语义正确
- 保证语义正确必须是临界区
- 故读写信号量的代码一定是临界区
- 进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞
- 临界区:在临界区做操作
- 退出区:清除临界区被占用的标志
- 剩余区：进程与临界区不相关部分的代码
临界区代码的保护原则：
- 基本原则：互斥进入
- 好的临界区保护原则：有空让进、有限等待
（1）上锁
- 轮转法（互斥进入）：
- 标记法（空等，都进入不了临界区）：
- 非对称标记（Peterson算法）：轮转法+标记法（两个进程）
&&：第一个表达式为false时，结果为false（具有短路功能）
第一个表达式为false时，后面才会继续计算
- 面包店算法（软件方法、多个进程）：轮转+标记：
- 如何轮转：每个进程都获得一个序号
- 如何标记：进程离开时序号为0，不为0的序号即为标记
- 面包店：每个进入商店的客户都获得一个号码；号码最小的先得到服务；号码相同时，名字靠前的先服务
（2）临界区保护：组织调度
- 关中断：多CPU（多核）不好使
- 因为关中断时，只是对执行该条件语句的CPU进行关中断，当中断来临时，执行P1语句的CPU继续执行（关中断），执行其他语句的CPU中断想回那个，执行P2语句，最后P1和P2只会导致信号量歧义
- 硬件原子指令法：
五、死锁处理
死锁：互相等待对方持有的资源
死锁的4个必要条件：
- 互斥使用
- 不可抢占
- 请求和保持
- 循环等待（环路等待）
死锁处理方法：
- 死锁预防：破坏死锁出现的条件
- 不占有资源：一次性申请所有需要的资源，资源申请必须按序进行（资源浪费、编程困难）
- 死锁避免：检测每个资源请求，如果造成死锁就拒绝
- 判断此次请求是否引起死锁，即是否为安全状态
- 安全状态：所有进程存在一个可完成的执行序列P1P2P3...Pn
- 银行家算法：找出安全序列(T(n)= O(mn^2)；m：资源个数，n：进程个数)：找出安全序列
- 请求出现时：首先将假装分配，其次调用银行家算法，若无安全序列，则拒绝资源申请
- 死锁检测+恢复：检测到死锁出现，让进程 roll back（回滚），让出资源
- 发现问题再处理：roll back难实现
- 死锁忽略：就像没有死锁一样：
- 代价最小，可重启解决
六、进程间通信：
本地进程间通信的方式有很多，可以总结为下面四类：
- 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
- 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
- 共享内存（匿名的和具名的）
- 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）