操作系统(2):进程管理

考纲内容

（一）进程与线程

• 进程的概念；进程的状态与转换
• 进程控制；进程组织
• 进程通信；线程概念与多线程模型

（二）处理机调度

• 调度的基本概念；调度时机、切换与过程
• 调度的基本准则；调度方式；经典调度算法

（三）进程同步

• 进程同步的基本概念
• 实现临界区互斥的基本方法
• 信号量；管程；经典同步问题

（四）死锁

• 死锁的概念；死锁处理策略
• 死锁预防；死锁避免；死锁的检测和解除

2.1进程与线程

知识点

• 进程的定义
  • 进程是程序的一次执行过程。
  • 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
  • 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
• 线程的定义：线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位。
• 系统发生死锁时有可能进程全部处于阻塞态，或无进程任务，CPU空闲。
• 进程申请处理器得不到满足时处于就绪态，等待处理器的调度。
• 并发进程失去封闭性是指：并发进程共享变量，其执行结果与速度有关。
• 管道实际上是一种固定大小的缓冲区，管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户、单独构成的一种文件系统，并且只存在于内存中。它类似于通信中半双工信道的进程通信机制，一个管道可以实现双向的数据传输这一句有点问题，而同一时刻只能最多有一个方向的传输，不能两个方向同时进行。管道的容量大小通常为内存上的一页，它的大小并不受磁盘容量大小的限制。当管道满时，进程在写管道会被阻塞，而当管道空时，进程在读管道会被阻塞。

错题

4.进程与程序的根本区别是(A)
A.静态和动态特点
B.是不是被调入内存
C.是不是具有就绪、运行和等待三种状态
D.是不是占有处理器
动态性是进程最重要的特性，以此来区分文件形式的静态程序。

20.略

22.系统动态DLL库中的系统线程，被不同的进程所调用，它们是相同的线程。
程序代码经过多次创建可对应不同的进程，而同一个系统的进程（或线程）可以由系统调用的不同方法被不同的进程（或线程）多次使用。

23.PCB是进程存在的唯一标志，下列(B)不属于PCB。
A.进程ID
B.CPU状态
C.堆栈指针
D.全局变量
进程实体主要是代码、数据和PCB。因此，要清楚了解PCB内所含的数据结构内容，主要有四大类：进程标志信息、进程控制信息、进程资源信息、CPU现场信息。由上述可知，全局变量与PCB无关，它只与用户代码有关。

2.2处理机调度

知识架构

• 调度的概念
  • 调度的基本概念
  • 调度的层次
    • 作业调度（高级调度）
    • 中级调度（内存调度）
    • 进程调度（低级调度）
  • 三级调度的联系
• 调度的时机、切换与过程
• 进程调度方式
  • 非剥夺调度方式
  • 剥夺调度方式
• 调度的基本准则
  • CPU利用率
  • 周转时间
    • 周转时间
    • 平均周转时间
    • 带权周转时间
  • 等待时间
  • 响应时间
• 典型的调度算法
  • 先来先服务（FCFS）调度算法
  • 短作业优先（SIJ）调度算法
  • 优先级调度算法
    • 非剥夺式优先级调度算法
    • 剥夺式优先级调度算法
    • 静态优先级
    • 动态优先级
  • 高响应比优先调度算法
  • 时间片轮转调度算法
  • 多级反馈队列调度算法

错题

3.(B)有利于CPU繁忙型的作业， 而不利于I/O繁忙型的作业。
A.时间片轮转调度算法
B.先来先服务调度算法
C.短作业（进程）优先算法
D.优先权调度算法
FCFS调度算法比较有利于长作业，而不利于短作业。所谓CPU繁忙型的作业，是指该类作业需要大量的CPU时间进行计算，而很少请求I/O操作。I/O繁忙型的作业是指CPU处理时，需要频繁地请求I/O操作。所以CPU繁忙型作业更接近于长作业。

14.下列调度算法中，(B)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
时间片轮转算法是按固定时的时间配额来运行的，时间一到，不管是否完成，当前的进展必须撤下，调度新的进程，因此它是由时间配额决定的、是绝对可抢占的。而优先级算法和短进程优先算法都可分为抢占式和不可抢占式。

28.【2012统考真题】若某单处理机多进程系统中有多个就绪态进程，则下列关于处理机调度的叙述中，错误的是(****)
A.在进程结束时能进行处理机调度
B.创建新进程后能进行处理机调度
C.在进程处于临界区时不能进行处理机调度
D.在系统调用完成并返回用户态时能进行处理机调度
选项A、B、C显然属于可以进行处理机调度的情况。对于选项C，当进程处于临界区时，说明进程正在占用处理机，只要不破坏临界资源的使用规则，就不会影响处理机的调度。

知识点

• 当前进程的时间片用完后，其状态由执行态变为就绪态。
• 时钟中断发生后，系统会修改当前进程在时间片内的剩余时间。

…	先来先服务	短作业优先	高响应比优先	时间片轮转	多级反馈队列
能否是可抢占	否	能	能	能	队列内算法不一定
能否是不可抢占	能	能	能	否	队列内算法不一定
优点	公平，实现简单	平均等待时间最少，效率最高	兼顾长短作业	兼顾长短作业	兼顾长短作业，有较好的响应时间，可行性强
缺点	不利于短作业	长作业会饥饿，估计时间不易确定	计算响应比的开销大	平均等待时间较长，上下文切换浪费时间	无
适用于	无	作业调度，批处理系统	无	分时系统	相当通用
默认决策模式	非抢占	非抢占	非抢占	抢占	抢占

公式

• 周转时间 = 作业完成事件 - 作业提交时间
• 带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行时间
• 响应比Rp = （等待时间 + 要求服务时间）/ 要求服务时间

2.3进程同步

知识框架

• 进程同步的基本概念
  • 临界资源
    • 进入区
    • 临界区
    • 退出区
    • 剩余区
  • 同步（直接制约关系）
  • 互斥（间接制约关系）
    • 空闲让进
    • 忙则等待
    • 有限等待
    • 让权等待
• 实现临界区互斥的基本方法
  • 软件实现方法
    • 单标志法
    • 双标志法先检查
    • 双标志法后检查
    • Peterson’s Algorithm算法。
  • 硬件实现方法
    • 中断屏蔽方法
    • 硬件指令方法
      • TestAndSet方法
      • Swap指令
• 信号量
  • 整型信号量
  • 记录型信号量
  • 利用信号量实现同步
  • 利用信号量实现进程互斥
  • 利用信号量实现前驱关系
  • 分析进程同步和互斥问题的方法步骤
• 管程
  • 管程的定义
  • 管程的组成
    • 局部与管程的共享结构数据说明
    • 对该数据结构进行操作的一组过程
    • 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
  • 管程的基本特性
    • 局部与改成的数据只能被局部与管程内的过程所访问
    • 一个进程只有通过调用管程内的过程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内部过程
• 经典同步问题
  • 生产者-消费者问题
    • 互斥信号量mutex = 1
    • “满”缓冲区数信号量full = 0
    • "空"缓冲区数信号量empty = n
  • 读者-写者问题
    • 读者计数器信号量count = 0
    • 互斥信号量mutex = 1 保护count
    • 互斥信号量rw = 1，保证读者和写者的互斥访问
  • 哲学家进餐问题
    • 互斥信号量数组chopstick[5]，哲学家i左边的编号为i，哲学家右边筷子的编号为(i+1)%5
  • 吸烟者问题
    • 信号量offer1、offer2、offer3分别表示烟草和纸组合的资源、烟草和胶水组合的资源、纸和胶水组合的资源。信号量finish用于互斥进行抽烟动作

知识点

错题

21.一个进程映像由程序、数据及PCB组成，其中(D)必须用可重入编码编写。
A.PCB
B.程序
C.数据
D.共享数据段
共享程序段可能同时被多个进程使用，所以必须用可重入编码，否则无法实现共享功能。

29.以下关于管程的叙述中，错误的是(C)
A.管程是进程同步工具，解决信号量机制大量同步操作分散的问题
B.管程每次只允许一个进程进入管程
C.管程中signal操作的作用和信号量机制中的V操作相同
D.管程是被进程调用的，管程是语法范围，无法创建和撤销
管程的signal操作与信号量机制中的V操作不同，信号量机制中的V操作一定会改变信号量的值S=S+1。而管程中的signal操作是针对某个条件变量的，若不存在因该条件而阻塞的进程，则signal不会产生任何影响。

48.在下列同步机制中，可以实现让权等待的是(C)
A.Peterson方法
B.swap指令
C.信号量方法
D.TestAndSet指令
硬件方法实现进程同步时不能实现让权等待，故B、D错误，Peterson算法满足有限等待但不满足让权等待，故A错误；记录型信号量由于引入阻塞机制，消除了不让权等待的情况，故C正确。

2.4死锁

知识架构

• 死锁的概念
  • 死锁的定义
  • 死锁产生的原因
    • 系统资源的竞争
    • 进程推进顺序非法
    • 死锁产生的必要条件
      • 互斥条件
      • 不剥夺条件
      • 请求并保持条件
      • 循环等待条件
• 死锁的处理策略
  • 死锁预防
  • 避免死锁
  • 死锁的检测及解除
• 死锁预防
  • 破坏互斥条件
  • 破坏不剥夺条件
  • 破坏请求并保持条件
  • 破坏循环等待条件
• 死锁避免
  • 系统安全状态
  • 银行家算法
• 死锁检测和解除
  • 资源分配图
  • 死锁定理
  • 死锁解除
    • 资源剥夺法
    • 撤销进程法
    • 进程回退法

知识点

…	资源分配策略	各种可能模式	主要优点	主要缺点
死锁预防	保守，宁可资源闲置	一次请求所有资源，资源剥夺，资源按序分配	适用于突发式处理的进程，不必进行剥夺	效率低，进程初始化时间延长；剥夺次数过多；不便灵活申请新资源
死锁避免	是“预防”和“检测”的折中（在运行时判断是否可能死锁）	寻找可能的安全允许顺序	不必进行剥夺	必须知道将来的资源需求；进程不能被长时间阻塞
死锁检测	宽松，只要允许就分配资源	定期检查死锁是否已经发生	不延长进程初始化时间，允许对死锁进行现场处理	通过剥夺解除死锁，造成损失

• 资源分配图是一个有向图，用于表示某时刻系统资源与进程之间的状态。

错题

9.【2009统考真题】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，该系统可能会发生死锁的K的最小值是(B)
A.2
B.3
C.4
D.5
考虑极端情况。