第二章 进程管理
- 进程的定义：是程序的一次执行过程，是一个程序及其数据在处理机上的顺序执行时发生的活动，是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程
- 进程的特征：动态性、并发性、独立性、异步性、结构性。
- 进程结构上组成（进程映像）：包括PCB块，程序段，数据段。
- 进程和程序的根本区别是动态和静态的特点。
- PCB是进程存在唯一标志，创建进程实质上是创建进程映像中的PCB，撤销进程实质上是撤销进程的PCB。
- 对进程的管理和控制使用各种原语。
- 进程创建过程：分配唯一的标识号申请空白PCB，为进程分配资源，初始化PCB，若就绪队列未满，将进程插入就绪队列。
- 引起进程创建的事件：用户登录，作业调度，提供服务，应用请求
- 进程切换过程：保存处理机上下文，更新PCB信息，把进程移入相应队列，选择另一进程执行更新其PCB,更新内存管理的数据结构，恢复处理机上下文。
- 进程终止过程：根据终止进程的标识符检索PCB读出进程的状态，若该进程处于运行状态，终止其运行将处理机分配给其他进程，若该进程还有子进程，终止所有子进程，归还进程所拥有的全部资源给父进程或操作系统。
- 引起进程终止的事件：正常结束，异常结束，外界干预
- 进程阻塞过程：找到需要被阻塞进程的标识号对应PCB,若该进程处于运行状态，将状态转为阻塞状态，停止运行，将该进程PCB插入相应队列。
- 进程唤醒过程：在该事件的等待队列中找到对应PCB，将其从等待队列移出，并将状态改为就绪状态，把该PCB插入就绪队列中，等待调度。
- PCB进程控制块：包括进程描述信息（进程标识符、用户标识符），进程控制和管理信息（进程状态、进程优先级，代码入口地址，外存地址----书32页），资源分配情况（代码段/数据段/堆栈段指针 ），处理机相关信息（通用/地址/控制/标志寄存器值）。
- 进程的五种状态切换
- 运行到阻塞是一种主动的行为，阻塞到运行是被动行为。
- 进程可以分为系统进程，和用户进程两类。
- 线程是一个轻型实体不拥有系统资源，没有独立地址空间，一个基本的cpu执行单元。
- 线程的属性一个轻型实体，不拥有系统资源，不同线程可以执行相同程序，同一进程的不同线程共享该进程资源，线程是处理机独立调度单位，多线程可并发，线程被创建就开始它的生命周期，直至终止。
- 引入线程目的：为了更好实现多道程序的并发，提高资源利用率和系统吞吐量。
- 同一个进程的线程通信可以直接通过共享的地址空间。
- 多线程模型：多对一（多个用户级线程对一个内核级线程，若一个内核服务被阻塞，整个被阻塞），一对一（占有很多内核空间，一个被阻塞，可选择另一个线程），多对多（nice）
- 原语是若干机器指令构成用于完成特定功能的一段程序，并在执行中不可分割。
- 原子操作是一个操作的所有动作，要么全做，要么全不做。在单机中采用屏蔽中断保证原子性，在多机系统采用信号量机制保证原子性。
- 进程通信根据交换信息量的多少分为高级通信（目的是交换信息，由系统提供send和receive两个操作）和低级通信（只传送几个字节信息，以达到控制执行速度，共享变量实现消息传递）。
- 高级进程通信方式有三类：共享存储器，消息传递，管道通信
- 共享存储器：在内存中分配一片空间作为共享存储区，需要进程通信的进程把它加入自己的地址空间，不需要时候则取消。
- 消息传递：它以消息为单位在进程间进行数据交换。发送/接收原语。信箱机制，
- 管道通信：建立一个连接两个命令的打开文件，一个命令是写命令向该文件中写入数据，一个读命令向该文件中读出数据。半双工（同一时刻只能有一个对其操作）读进程和写进程都可以对管道操作。不受磁盘容量大小限制。
- 消息缓冲技术：操作系统管理一个用于进程通信的缓冲池，每个缓冲区可存放一条消息，发送者从中申请一个可用缓冲区，存放消息，接受者取出该消息后再释放该缓存区，每个进程均设置一个消息队列，任何发送给该进程的消息暂存消息队列中。依次出队。
- 进程通信的类型分为直接通信方式，间接通信方式。
- 进程之间的通信得借助操作系统内核功能：每个进程有自己的独立的地址空间，在操作系统和硬件的地址保护下，不能访问其他进程地址空间，必须借助系统调用函数实现进程通信。
- 互斥和同步的解决方法有软件方法，中断方法，test-and-set指令，swap指令，信号量方法。
- 进程同步机制：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待。
- 并发进程的执行会产生相互制约的关系
- 同步（进程之间协同完成，在关键点上等待另一进程发来的消息）和互斥（进程之间竞争使用临界资源，只能让它们逐个使用）
- 进程之间竞争使用临界资源，只能让它们逐个使用
- 临界资源：同时仅允许一个进程使用的资源。
- 临界区：每个进程访问临界资源的那段代码。（进入区，临界区，退出区，剩余区）
- P（s）操作步骤：s=s-1；若s<0阻塞当前进程，将其加入等待队列，调度其他进程；若s>=0当前进程继续执行；
- v（s）操作步骤：s=s+1；若s<=0唤醒第一个等待该资源的进程，当前进程继续运行；若s>0当前进程继续执行；
- 处理机的三级调度：作业调度（内存和辅存的调度），内存调度（提高内存利用率和系统吞吐量，将不能运行的进程调至外存等待称为挂起）进程调度
- 调度的基本准则：cpu利用率，系统吞吐量，周转时间，等待时间，响应时间。
- 调度算法：先来先服务，短作业优先，优先级调度，高响应比优先调度，时间片轮转调度，多级反馈队列调度
- 先来先服务：比较有利于长作业，而不利于短作业。 有利于CPU繁忙的作业，而不利于I/O繁忙的作业。不可被剥夺
- 短作业优先：长作业长期“饥饿”，没有考虑作业的紧迫，短作业调度算法平均等待时机，平均周转时间最少。可被剥夺。可不剥夺。
- 优先级调度：静态优先级，动态优先级。可剥夺被用于实时系统，或者要求快速的分时系统和批处理，可不剥夺用于批处理。
- 高响应比优先调度
(1) 如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业。
(2) 当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。
(3) 对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。
简言之，该算法既照顾了短作业，又考虑了作业到达的先后次序，不会使长作业长期得不到服务。因此，该算法实现了一种较好的折衷。当然，在利用该算法时，每要进行调度之前，都须先做响应比的计算，这会增加系统开销。 - 时间片轮转算法适用分时系统，如果时间片特别大，则退化为先来先服务，如果时间片小，进程间频繁切换（处理机开销大）
- 时间片长短通常影响因素：系统处理能力，就绪队列的进程数目，系统响应时间
- 多级反馈队列调度算法是公认较好算法
- 作业是从用户角度出发，由用户提交以用户任务为单位，进程是操作系统出发，操作系统生产，是资源分配和独立运行的基本单位。
- 管程：管程是为了解决信号量在临界区的PV操作上的配对的麻烦，把配对的PV操作集中在一起，生成的一种并发编程方法。其中使用了条件变量这种同步机制。
- 管程与临界区不同的是，在管程中的线程可以临时放弃管程的互斥访问，让其他线程进入到管程中来。而临界区中的线程只能在线程退出临界区时，才可以放弃对临界区的访问
- 管程的组成：局部于管程的共享数据结构；对共享数据结构进行操作的一组函数；对局部于管程的数据设置初始值的语句
- 管程的特性：局部于管程的数据只能被局部于管程内的函数所访问；一个进程只有通过调用管程内的函数才能进入管程访问共享数据；每次仅允许一个进程在管程内执行某个函数
- 死锁的定义：多个进程因竞争资源或推进顺序不当而形成的一种相互等待，若无外力，这个状态永久保持。
- 死锁产生原因：系统资源的竞争，进程推进顺序非法
- 死锁产生四个必要条件：互斥条件，不剥夺条件，请求和保持条件，循环等待条件
- 解决死锁的三种方法：死锁的预防，死锁的避免，死锁的检测和解除
- 死锁预防是破坏四个必要条件：破坏互斥不可行，破坏不剥夺（某一个进程申请资源不满足时候，释放已占有资源），破坏请求和保持条件（采用预先静态分配，缺点是浪费系统资源，其他进程会：“饥饿”），破坏循环等待条件（采用顺序资源分配法，给资源编号）
- 死锁避免：防止系统进入不安全状态，银行家算法
- 死锁的检测和解除：用死锁定理，资源分配图不可完全简化，在死锁发生前不做任何措施只是检测，发生后解除用资源剥夺法，撤销进程法，进程回退法