进程管理

并发与并行

并发：一段时间间隔多道程序运行
并行：某一时刻多个程序运行

共享

共享：指的是系统中资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
有两种资源共享的方式：

  1. 互斥共享方式：规定一段时间内只能一个进程访问资源，其它进程需要等待。这个资源被称作临界资源。大多数物理设备、软件中使用的栈、变量等都属于临界资源。
  2. 同时访问方式：允许资源在一段时间内被多个进程“同时”访问，这里的“同时”通常是宏观上的。

    虚拟

    虚拟：指的是把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。
    用于实现虚拟的技术，称作虚拟技术。操作系统利用多种虚拟技术实现了虚拟处理器、虚拟内存、虚拟外部设备等。
    虚拟处理器技术：利用多道程序设计技术，让多个程序可以分时使用一个处理器。即把一个物理上的CPU虚拟化成了多个逻辑上的CPU（虚拟处理器）。
    虚拟存储器技术：把一个物理存储器变为虚拟存储器，在逻辑上扩充存储器的容量。我们把用户感觉到的存储器称作虚拟存储器。
    虚拟I/O：把一台物理I/O虚拟化为多个逻辑上的I/O设备。
    操作系统的虚拟技术可归纳为：时分复用技术：如处理器的分时共享；空分复用技术：如虚拟存储器。

    进程

    进程实体：由程序段、相关数据段、PCB三部分组成。
    进程的定义：进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
    进程的五种状态：创建态、就绪态、运行态、阻塞态、结束态。
  • 运行态：单处理机下，每个时刻最多一个进程处于运行态；
  • 就绪态：进程获得了除处理器资源外的一切资源，一旦获得处理器资源就能进入运行态；
  • 阻塞态：进程因为等待某一事件而暂停运行。如等待某资源可用/等待输入输出。即使处理器空间也不会运行。
  • 创建态：进程正在被创建，还未到就绪态；
  • 结束态：进程可能正常结束或者其他原因中断退出。

操作系统 - 图1

进程间通信

高级通信方法主要有三种：

  • 共享存储
    在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间。通过对这个共享空间的读/写操作来实现进程间的通信。
    操作系统 - 图2
  • 消息传递
    进程间的数据交换是以格式化的信息（Message）为单位的。若进程之间不存在共享空间，必须利用操作系统提供的消息传递方法来实现进程通信。即进程间通过发送消息、接收消息的原语来进行数据交换。
    有两种消息传递的方式：
    • 直接通信方式：发送进程把消息发送给接收进程，并将其挂载到接收进程的消息缓冲队列中，接受进程通过消息缓冲队列取得消息。
      操作系统 - 图3
    • 间接通信方式：发送进程把消息发送到某个中间实体，接收进程从中间实体取得消息。这种中间实体一般称作信箱。
  • 管道通信
    所谓的管道，指的是连接一个读进程和写进程的一个共享文件（又称pipe文件），以实现两者之间的通信。半双工通信。
    操作系统 - 图4
    管道通信可以看作是共享存储的优化和发展。在共享存储中，同一时刻只允许一种操作，管道是半双工通信，要求只能一边写入，一边读出，只要管道中有数据就能进行读取，不会因为其它进程进行写操作而堵塞读操作，因为管道要求写进程需要把缓冲区写满，才能让读进程读取。

    单工通信、半双工通信和全双工通信之间有什么区别

    简单的说：
    单工通信就是只能从A到B，如[广播]
    半双工通信是A到B,B到A都行，但不能同时进行。如[对讲机]
    全双工通信是A到B,B到A都行，可以同同时进行。如[电话]

    线程的概念

    是基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单元。线程是进程中的一个实体，是系统独立调度和分派的基本单位。线程本身不拥有系统资源，而是与进程中其它线程共享进程所拥有的资源。
    线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态。
    而进程是拥有资源的基本单位。
    引入线程的目的：为了减小程序在并发执行所付出的时空开销。
    可以认为线程是“轻量级的进程”

    调度的概念

    为什么需要有调度：因为进程数量通常远大于处理器的个数，这时候就会发生进程间争用处理器资源的现象。我们需要一种算法来实现对处理器资源的合理分配。

    进程调度方式

  1. 非剥夺调度方式

  2. 剥夺调度方式

    典型的调度算法

  3. 先来先服务调度算法：每次从就绪队列中选择最先进入该队列的进程，将处理器分配给它。属于不可剥夺算法。特点：算法简单，但效率低；对长作业有利，对短作业不利；有利于CPU繁忙型作业，不利于I/O繁忙型作业。

  4. 短作业优先调度算法：从后备队列中选择一个运行时间最短的作业。对长时间作业不利，可能会造成“饥饿”现象（区别于死锁）
  5. 优先级调度算法：每次从后背队列中选取优先级最高的作业。
    • 非剥夺式优先级调度算法
    • 剥夺式优先级调度算法
    • 静态优先级调度算法
    • 动态优先级调度算法
  6. 高响应比优先调度算法：选取响应比最高的作业。先来先服务+短作业：克服了饥饿状态兼顾了长作业。
  7. 时间片轮转调度算法：主要适用于分时系统。对于时间片的大小应该适当设置。
  8. 多级反馈队列调度算法：以上的综合

    死锁

    死锁的定义：多个进程因为竞争资源而陷入了相互等待的情况。若没有外力作用，这些进程无法向前推进。
    为什么会产生死锁：
  • 系统资源的竞争：系统中有不可剥夺的资源，通常不够满足所有进程的需要，使得进程在争夺资源的过程中陷入了相互等待。
  • 进程推进顺序非法：如信号量使用不当造成两个进程相互等待对方发送消息。

产生死锁的必要条件：
四个条件只要任一不成立，死锁就不会发生。

  1. 互斥条件：某段时间进程独占资源
  2. 不剥夺条件：资源在被使用时无法被强行剥夺
  3. 请求并保持条件：进程保持着资源同时请求另一资源，对保持的资源不释放
  4. 循环等待条件：进程间循环等待资源

死锁的处理策略：

  • 死锁预防：破环四个必要条件之一。
  • 死锁避免：在资源动态分配的过程中，使用某种方法防止系统进入不安全的状态来避免死锁。
    • 银行家算法
  • 死锁检测与解除：
    • 死锁检测：系统死锁可以利用资源分配图来进行查看。通过简化资源分配图可以检测是否为死锁状态。死锁的状态图是完全不能简化的，这称作死锁定理。
    • 死锁解除：1）资源剥夺法；2）撤销进程法；3）进程回退法

      内存管理

      程序代码需要放入内存才能运行。程序放入内存中，内存如何合理分配空间就是内存管理的概念。
      内存管理需要考虑的功能：
  1. 内存的分配、回收；
  2. 地址转换；
  3. 内存扩充：
  4. 存储保护：

首先考虑问题，如何将程序以进程的形式在内存中运行呢？有以下几个步骤：

  1. 编译
  2. 链接
  3. 装入

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