笔记 操作系统 进程和线程 并发和并行 CPU调度 临界区 死锁

课程地址
https://www.bilibili.com/video/av30708793?p=38

进程管理主要涉及内容有： 进程（process）描述、进程状态（state）、线程(thread)、进程间通信（inter-process communication）、进程互斥与同步、死锁(deadlock)、

1 进程（process）描述

1.1 进程定义

一个具有一定独立功能的程序在一个数据集合上的一次动态执行过程。

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。程序是指令、数据及其组织形式的描述，进程是程序的实体。
（进程理解起来比较抽象，是一次活动，是程序执行过程）

1.2 进程组成

一个进程应该包括：

• 程序的代码
• 程序处理的数据
• 程序计数器中的值，指示下一条将运行的指令
• 一组通用的寄存器的当前值，堆，栈
• 一组系统资源（如网卡调用、 文件 等等）

总之，进程包括了正在运行的一个程序的所有状态信息。

进程与程序的联系

• 程序是产生进程的基础
• 程序的每次运行构成不同的进程（一个程序多次执行可能会产生不同的进程，程序每次执行起来产生的进程可能是不一样的（比如调用的资源可能就不一样））
• 进程是程序功能的体现
• 通过多次执行，一个程序可对应多个进程
• 通过调用关系，一个进程可以包括多个程序

进程与程序的区别

• 进程是动态的，程序是静态的；程序是有序代码的集合，进程是程序的执行，进程有核心态、用户态。（我们写程序只是在用户态，但进程却可能有核心态，进程需要调用操作系统里的系统资源时，操作系统代替进程执行这些操作）
• 进程是暂时的，程序是永久的；进程是一个转台变化的过程，程序可永久保存
• 进程与程序的组成不同：进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）

1.3 进程特点

• 动态性：可动态地创建、结束进程；
• 并发性：进程可以被独立调度并占用处理机运行；
• 独立性：不同进程的工作不相互影响（操作系统调度不同进程执行时，进程的正确性必须不被破坏，操作系统依靠页表访问地址区间 保证进程不互相破坏）；
• 制约性：因访问共享数据/资源或进程间同步而产生制约；
  

并行是指多个进程在同一时刻同时执行。 并发是指在一段时间内可以同时执行多个进程。
如果只有一个单核的CPU是没办法执行并行这一操作的，但是是可以并发的。只有多核的CPU才能够执行并行。
多核心CPU，每个核心都有单独的控制器、运算器、寄存器。
CPU核心和线程的关系

CPU的核心数是指物理上，也就是硬件上存在着几个核心。比如，双核就是包括2个相对独立的CPU核心单元组，四核就包含4个相对独立的CPU核心单元组，等等，依次类推。

线程数是一种逻辑的概念，简单地说，就是模拟出的CPU核心数。比如，可以通过一个CPU核心数模拟出2线程的CPU，也就是说，这个单核心的CPU被模拟成了一个类似双核心CPU的功能。我们从任务管理器的性能标签页中看到的是两个CPU。
cpu线程是一堆寄存器，例如当前指令寄存器地址，堆栈指针，页面寄存器等.x86
cpu刚刚开始支持多线程切换，并在cpu指令级实现线程切换，如任务门。但是操作系统通常不使用此函数，而是仅使用一个线程通过修改堆栈指针来实现线程切换。，64位x86将取消任务门。

因此，cpu的线程与操作系统所说的线程几乎没有关系。即使CPU不支持线程，操作系统也可以实现线程。要说连接，现在多核cpu，有多个虚拟cpu，每个虚拟cpu都有一个cpu线程，为了发挥cpu的最大效果，操作系统还必须准备相应数量的线程。

1.4 进程控制结构

操作系统怎么维护进程？

操作系统为每个进程搞了个数据结构，名字叫进程控制块（process control block，PCB），操作系统为每个进程都创建了一个PCB，用来保存于该进程有关的各种状态信息。

进程控制块：

操作系统管理控制进程运行所用的信息集合。操作系统用pcb来描述进程的基本情况以及运行变化的过程。pcb是进程存在的唯一标志。

PCB含有以下三大类信息才能胜任：

1. 进程标识信息。如进程的标识，本进程的产生者表示（父进程标识），用户标识、
2. 处理机状态信息保存区。保存进程的运行现场信息：（1）用户可见寄存器：用户程序可以使用的数据、地址等寄存器；（2）控制和状态寄存器：如程序计数器、程序状态字；（3）栈指针：过程调用、系统调用、中断处理和返回时需要用到它。
3. 进程控制信息：

PCB组织方式：

链表：同一状态的进程其pcb呈一链表； 多个状态对应多个不同的链表； 各状态的进程组成不同的链表：就绪链表、阻塞链表。
索引表：在专用系统里常用，因为专用系统里不太常对进程进行花里胡哨地创建删除。

2 进程状态 （动态的内容）

2.1进程的生命期管理

进程创建、运行、等待、唤醒、结束。

创建
引起进程创建的3个主要事件：

• 系统初始化时候
• 用户请求创建一个新进程
• 正在运行的进程执行了创建进程的系统调用

运行
创建出来的所有进程就叫就绪进程，操作系统根据一些调度算法选择某个进程到CPU执行。
等待
在下面这些情况，进程等待（阻塞）

• 请求并等待系统服务，无法马上完成
• 启动某种操作，无法马上完成
• 需要的数据没有到达

进程只能自己阻塞自己，因为只有进程本身才能知道何时需要等待某个事件的发生。
唤醒
唤醒进程的原因：

• 被阻塞进程需要的资源可被满足
• 被阻塞进程等待的事件到达
• 将该进程的PCB插入到就绪队列

进程只能被别的进程或者OS 唤醒。

结束

• 正常退出（自愿的）
• 错误退出（自愿的）
• 致命错误（强制性的）
• 被其他进程（比如OS的管理进程觉得你这个进程占用内存太多要导致崩溃）kill掉（强制性的）
  

2.2 进程状态变化模型

进程的三种基本状态

进程在生命结束前处于且仅处于三种基本状态之一。

不同系统设置的进程状态数目不同。

运行状态（running）：当一个进程正在处理机上运行时。
就绪状态（ready）：一个进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行。
等待状态（blocked）又称阻塞状态，一个进程正在等待某一件事情而暂停运行。如等待某资源、等待输入输出完成。

如果考虑创建和结束状态：

2.3 进程挂起模型

为了合理且充分的利用系统资源。进程在挂起状态时意味着进程没有占用内存空间，处于挂起状态的进程映像在磁盘上。

• 阻塞挂起状态是指进程在外存并等待某事件的出现
• 就绪挂起状态是指进程在外存，但只要进入内存即可运行。

操作系统管理不同进程

状态队列：由OS来维护一组队列，用来表示系统当中所有进程的当前状态。

2.4 windows进程终止方式

进程终止后，windows会释放进程锁使用的内存、句柄等所有资源

• 主线程的入口函数返回（正常终止，推荐）
• 进程主动退出：一个线程调用ExitProcess；
• 进程被动终止：另一个进程调用了TerminateProcess （没善后的那些代码执行了）
• 进程中的所有线程都终止

3 线程（thread）管理

60年代提出进程为基本单位，80年代中期提出以线程为基本单位。

3.1 为什么使用线程

举例：一个MP3播放软件，包含读取、解码、播放。

main
{
  while(1)
  {
  	读取
  	解码
  	播放
  }
}

单进程 声音可能会断断续续。
那么如果把读取 解码 播放放在三个进程里去执行，又会占用很多系统资源来管理这三个进程。

解决： 提出一种新的实体，满足下面特性：
（1）实体之间可以并发地执行；
（2）实体之间共享相同的地址空间。

3.2 什么是线程

线程定义：进程当中的一条执行流程。
从2个方面来重新理解进程

• 从资源组合的角度：进程把一组相关的资源组合起来，构成了一个资源平台（环境），包括地址空间（代码段、数据段）、打开的文件等各种资源；
• 从运行的角度：代码在这个资源平台上的一条执行流程（线程）。

线程

• 创建于一个进程的上下文中，在进程的地址空间中运行；
• 线程是动态的一个进程，至少要有一个线程
• 进程中的所有线程共享进程的地址空间，

组成部分分为两个部分

• 一个是核心态的对象，操作系统用来保存现成的信息，
• 一个部分是线程堆栈，用于存放现成运行时的函数参数与局部变量等

windows线程终止方式

• 线程函数返回
• 线程调用ExitThread
• 其他线程调用TrerminateThread
• 改线程所在的进程终止

等式：

线程 = 进程 - 共享资源

线程的优点

• 一个进程中可以同时存在多个线程
• 各个线程之间可以并发的执行
• 各个线程之间可以共享地址空间和文件等资源

线程的缺点

• 一个线程崩溃会导致其所属进程的所有线程崩溃（因为破坏了共享数据）。

所以需要考虑何时使用进程、何时使用线程：

• 需要性能要线程（气象学）；
• 浏览器开网页最好用进程，一个网页崩溃了，不至于浏览器死掉了。打开网页是不需要啥性能的，更需要安全性，不至于一个网页崩溃掉整个浏览器；

线程与进程的比较

1 进程是资源分配的单位，线程是CPU调度的单位；
2 进程拥有一个完整的资源平台，而线程只独享必不可少的资源，如寄存器与栈；
3 线程同样具有就绪、阻塞和执行三种基本状态，同样具有状态之间的转换关系；
4 线程能减少并发执行的时间和空间开销：

• 线程的创建时间比进程短；（不需要再次创建那些资源）
• 线程的终止时间比进程短；
• 同一进程内的线程切换时间比进程短；（同一地址空间，同一页表，页表不需要切换）
• 由于同一进程的各线程间共享内存和文件资源可直接进行，不通过内核的通信。

3.3 线程的实现

主要三种实现方式：

用户线程：在用户空间实现(操作系统是看不到的，用户线程库来实现)： POSIX Pthreads, Mach C-threads,Solaris threads
内核线程：在内核中实现（操作系统看得到）： Windows,Solaris,Linux
轻量级进程：在内核中实现，支持用户线程 Solaris

操作系统只能管理进程，管理不了进程内部的用户线程。进程管理着用户线程的生命周期。允许每个进程拥有自定义的线程调度算法。

3.3.1 用户线程缺点：

• 阻塞性的系统调用如何实现？如果一个线程发起系统调用而阻塞，则整个进程在等待。
• 当一个线程开始运行后，除非它主动交出CPU使用权，否则它所在的进程当中的其他线程将无法运行。（操作系统在一个中断事件来临后可以强制停下CPU上的进程）。
• 由于时间片分配给进程，故与其他进程比，在多线程执行时，每个线程得到的时间片较少，执行会较慢。

3.3.2 内核线程
是指在操作系统的内核当中实现的一种线程机制，由操作系统的内核来完成线程的创建、终止和管理。
此时进程里的线程是由操作系统来管理，进程主要负责的是资源的调度。
此时操作系统的调度单位是线程，而不是进程。

• 在支持内核线程的操作系统中，由内核来维护进程和线程的上下文信息（pcb和tcb）。
• 线程的创建、终止和切换都是通过系统调用内核函数的方式来进行，由内核来完成，因此系统开销较大；
• 在一个进程当中，如果某个内核线程发起系统调用而被阻塞，并不会影响其他内核线程的运行。
• 时间片分配给线程，多线程的进程获得更多的CPU时间.
• windows nt和windows2000/XP支持内核线程.

3.3.3 轻量级进程
内核支持的用户线程。一个进程有一个或多个轻量级进程，每个量级进程由一个单独的内核线程来支持。(LINUX / SOLARIS用的这个方法)
SOLARIS系统是多对多，多个线程对多个内核线程，管理比较复杂，但也更灵活。
LINUX系统是一对一，一个线程对一个内核线程。

3.4 进程的上下文切换

定义：停止当前运行进程（从运行状态改变成其他状态）并且调度其他进程（转变成运行状态）。
这一部分的内容，操作系统都是汇编来写，因为和硬件是紧密联系的。
操作系统将PCB放置在一个合适的队列里。

• 就绪队列
• 等待I/O队列
• 僵尸队列

3.4 多线程编程接口举例

僵尸态的进程：子进程正在等待被父进程处理回收的时候就是僵尸态进程，这个子进程不能再执行起来了，但依旧存在在内存里。如果僵尸态的子进程还没被回收，父进程就没了，那僵尸态的子进程就会一直存在，直到操作系统的祖先进程来扫描扫到了，替代原父进程来回收这个僵尸态子进程。

进程的创建过程
一旦操作系统发现了要求创建新进程的事件后，便调用进程创建原语create()按下述步骤创建一个新进程。
1） 申请空白PCB。为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从PCB集合中索取一个空白PCB。
2） 为新进程分配资源。为新进程的程序和数据以及用户栈分配必要的内存空间。显然，此时操作系统必须知道新进程所需要的内存大小。
3） 初始化进程控制块。PCB的初始化包括：
①初始化标识信息，将系统分配的标识符和父进程标识符，填入新的PCB中。
②初始化处理机状态信息，使程序计数器指向程序的入口地址，使栈指针指向栈顶。
③初始化处理机控制信息，将进程的状态设置为就绪状态或静止就绪状态，对于优先级，通常是将它设置为最低优先级，除非用户以显式的方式提出高优先级要求。
4） 将新进程插入就绪队列，如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入到就绪队列中。

进程的终止过程
如果系统发生了上述要求终止进程的某事件后，OS便调用进程终止原语，按下述过程去终止指定的进程。
1）根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程状态。
2）若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真。用于指示该进程被终止后应重新进行调度。
3）若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程予以终止，以防他们成为不可控的进程。
4）将被终止的进程所拥有的全部资源，或者归还给其父进程，或者归还给系统。
5）将被终止进程（它的PCB）从所在队列（或链表）中移出，等待其它程序来搜集信息。

3.5 CPU调度

3.5.1 背景

上下文切换定义

• 切换CPU的当前任务，从一个进程/线程到另一个
• 保存当前进程/线程在PCB/TCB中的执行上下文（CPU状态）
• 读取下一个进程/线程的上下文

CPU调度定义

• 从就绪队列里挑选一个进程/线程作为CPU将要运行的下一个进程/线程
• 调度程序：挑选进程/线程的内核函数
• 什么时候进行调度

内核运行调度程序的条件（满足一条即可）

• 一个进程从运行状态切换到等待状态。
• 一个进程被终结了。

早期的OS的CPU调度是不可抢占的

调度程序必须等待事件结束。

可以抢占的设计

• 调度程序在中断被相应后执行
• 当前的进程从运行切换到就绪，或者一个进程从等待切换到就绪
• 当前运行的进程可以被换出

3.5.2 调度原则

程序在CPU突发和I/O中交替

• 每个调度决定都是关于在下一个CPU突发时将哪个工作交给CPU
• 在时间分片机制下，线程可能在结束当前CPU突发前被迫放弃CPU

调度评价指标：

• CPU利用率：CPU处于忙状态所占时间的百分百
• 吞吐量：在单位时间内完成的进程数量
• 周转时间：一个进程从初始化到结束。包括所有等待时间所花费的时间
• 等待时间：进程在就绪队列中的总时间
• 响应时间：从一个请求被提交到产生第一次相应所花费的总时间

调度目标

减少响应时间、减少平均相应时间的波动、增加吞吐量、减少等待时间

这些调度目标有的具有相互联系的，一个目标提升到极致后，另外的目标就必然表现欠佳，设计调度算法的时候就需要考虑平衡的问题。

• 低延迟调度增加了交互式表示
• 但是操作系统需要保证吞吐量不受影响
• 吞吐量是操作系统的计算带宽
• 响应时间是操作系统的计算延迟

有些场景下考虑大家要公平
举例：保证每个进程占用相同的CPU时间

3.5.3 调度算法

进程的调度算法包括：
实时系统中：FIFO(First Input First Output，先进先出算法)，SJF(Shortest Job First，最短作业优先算法)，SRTF(Shortest Remaining Time First，最短剩余时间优先算法）。
交互式系统中：RR(Round Robin，时间片轮转算法)，HPF(Highest Priority First，最高优先级算法)，多级队列，最短进程优先，保证调度，彩票调度，公平分享调度。

3.5.4 实时调度(实时操作系统)

定义

正确性依赖于其时间和功能两方面的一种操作系统。

性能指标

时间约束的及时性
速度和平均性能相对不重要

主要特性

时间约束的可预测性

强实时系统，需要在保证的时间内完成重要的任务，必须完成。
弱实时系统，要求重要的进程的优先级更高，尽量完成，并非必须。

3.5.5 多处理器调度

3.5.6 优先级反转

4 临界区（Critical section）

为了解决同步互斥问题。

不同进程访问共享资源时的问题。
进程之间互相交互的问题。

进程/线程，计算机/设备是有必要合作的。（因为共享资源、加速、模块化设计）

race condition （竞态条件）
系统缺陷：结果依赖于并发执行/事件的顺序/时间。拥有不确定性。一个进程在执行过程中，由于另一个进程的打断后执行导致之前这个进程执行的结果发生了错误。

atomic operation 原子操作
原子操作是指一次不存在任何终端或者失败的执行。

• 该执行的成功执行
• 或者根本没有执行
• 并且不应该发现任何部分执行的状态

实际上操作往往不是原子性的

• 有些看上去是原子操作，实际上不是；
• 连x++这样的简单语句，实际上是有3条指令构成的
• 有时候甚至连单条机器指令都不是原子的

临界区（Critical section）

临界区是指进程中的一段需要访问共享资源，并且当另一个进程处于相应代码区域时使不会被执行的代码区域。

Mutual exclusion 互斥

当一个进程处于临界区并访问共享内资源时，没有其他进程会处于临界区，并且访问任何相同的共享资源。

dead lock

两个或以上的进程在互相等待别人完成特定任务，而最终没法将自身任务进行下去。

starvation 饥饿

一个可执行的进程，被调度器持续忽略，以至于虽然处于可执行状态却不被执行。

锁 lock
解锁 unlock
死锁 deadlock

进程只能互斥地执行临界区的代码就可以顺利执行程序。

临界区属性

• 互斥，临界区里最多存在一个线程
• 前进，最终肯定能进临界区执行成功
• 有限等待
• 无忙等待

如何设计临界区？

• 方法一 禁用硬件中断

进入临界区之前禁用中断，出来后重启中断。但一旦中断被禁止，线程就无法被停止，整个系统都会为你停下来，其他线程将有可能处于饥饿状态；而且临界区如果过长，无法控制执行时间；多CPU情况下，此时临界区也无法继续保持互斥机制，基于这种办法只能用于单CPU；

• 方法二 基于软件的解决办法

• 方法三 更高级的抽象

都是为了锁机制

5 信号量与管程(Dijkstra提出的信号量）

https://blog.csdn.net/wangcg123/article/details/79666424
为了 解决同步互斥问题。

信号量的抽象数据类型是一个整形（sem），两个原子操作。

由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：

P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行

V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.

举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。

什么是管程？

1管程可以看做一个软件模块，它是将共享的变量和对于这些共享变量的操作封装起来，形成一个具有一定接口的功能模块，进程可以调用管程来实现进程级别的并发控制。

2进程只能互斥得使用管程，即当一个进程使用管程时，另一个进程必须等待。当一个进程使用完管程后，它必须释放管程并唤醒等待管程的某一个进程。

3在管程入口处的等待队列称为入口等待队列，由于进程会执行唤醒操作，因此可能有多个等待使用管程的队列，这样的队列称为紧急队列，它的优先级高于等待队列。
———————————————— 版权声明：本文为CSDN博主「mengxuepingwxhn」的原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA
版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_38998213/article/details/87899231

读者-写者问题。
哲学家就餐问题。

6 死锁

https://baike.baidu.com/item/%E6%AD%BB%E9%94%81/2196938?fr=aladdin
定义

死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

虽然进程在运行过程中，可能发生死锁，但死锁的发生也必须具备一定的条件，死锁的发生必须具备以下四个必要条件。

• 1）互斥条件：指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由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
• 2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
• 3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
• 4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

7 进程间通信(IPC)

进程间需要合作完成一个工作，需要进程间通信。
信号
管道
消息队列
共享内存