进程管理
一、进程与线程
1. 进程
进程是资源分配的基本单位。
PCB（进程控制块，Process Control Block）描述进程的基本信息和运行状态。
创建进程、撤销进程都是对 PCB 进行操作。
进程可以并发地执行。
多进程并发执行
2. 线程
线程是独立调度的基本单位。
3. 联系与区别
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拥有资源：一个进程可以有多个线程，它们共享进程资源。这也说明了资源的分配以进程为单位。
-
调度：从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。这也说明了线程是独立调度的基本单位。
-
系统开销：
进程创建或撤销时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等，开销远大于创建或撤销线程时的开销。
进程切换时，当前进程 CPU 环境的保存、新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。 -
通信方面：
进程间通信 (IPC) 需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。
线程间通信可以通过直接读/写同一进程中的数据段（如全局变量）。
二、进程状态切换
- 就绪状态（ready）：等待 CPU 时间
- 运行状态（running）
- 阻塞状态（waiting）：等待资源
说明：
- 只有就绪态和运行态可以相互转换，其它的都是单向转换。
- 就绪状态的进程，通过调度算法从而获得 CPU 时间片，转为运行状态；
运行状态的进程，用完 CPU 时间片后就会转为就绪状态，等待下一次调度。 - 阻塞状态是从运行状态由于缺少需要的资源转换而来，最终转换为就绪状态。
进程状态
三、调度算法
针对不同环境来讨论，分三种：批处理、交互式、实时系统
1. 批处理系统地调度
- 先来先服务（FCFS，first-come first-serverd）：短作业有可能相对等待时间过长。
- 短作业优先（SJF，shortest job first）：长作业有可能饿死。
- 最短剩余时间优先（SRTN，shortest remaining time next）
2. 交互式系统调度
2.1. 优先级调度
一是手动赋予优先权；
二是把响应比作为优先权。
响应比 = 响应时间 / 要求服务时间 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间
这就解决「短作业优先调度算法」长作业可能会饿死的问题。因为等待时间 ↑，响应比 ↑。
2.2. 时间片轮转
在 FCFS 基础上，队列首进程执行一个时间片，当时间片用完时，将它送往就绪队列的末尾，同时继续把 CPU 时间分配给队首的进程。
时间片轮转算法的效率和时间片的大小有很大关系。因为进程切换都要保存进程的信息并且载入新进程的信息，如果时间片太小，会导致进程切换得太频繁，在进程切换上就会花过多时间。
2.3. 多级反馈队列
多级队列是为需要连续执行多个时间片的进程考虑。
每个队列时间片大小都不同，例如 1,2,4,8,..。进程在第一个队列没执行完，就会被移到下一个队列。
进程要求服务时间越长，最后移到的队列的时间片越就越长。
当然，时间片小的队列比时间片大的队列优先级要高。
实质是对「FCFS、时间片轮转」的优化，减少进程的切换次数。
3. 实时系统调度
实时系统要求一个服务请求在一个确定时间内得到响应。
分为硬实时和软实时，硬实时必须满足绝对的截止时间，软实时可以容忍一定的超时。
4. 总结
在「先来先服务」的基础上，加了 CPU 时间片，就变成了「时间片轮转」，为了减少进程切换次数，引进了「多级队列」。
在「短队列优先」的基础上，为了解决长队列有可能被饿死，引进了「响应比优先级调度」。
四、进程同步
1. 临界区
是一段代码，这段代码是对临界资源进行访问。
为了互斥访问临界资源，每个进程在进入临界区之前，需要先进行检查。
entry section
critical section; // 关键段
exit section
2. 同步与互斥
同步：多个进程按照一定顺序执行。
互斥：同一时刻只能有一个进程进入临界区。
3. 信号量
Semaphore，是一个整型变量，可以对其进行 up、down 操作。
up 和 down 操作需要被设计成「原语」。可以用屏蔽中断实现。
down：减一，减到 0 后进入睡眠。
up：加一，唤醒睡眠。
互斥量（Mutex）：信号量只能取 0 或 1。0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。
应用：使用信号量解决 生产者-消费者问题
问题描述：使用一个缓冲区来保存物品，只有缓冲区没有满，生产者才可以放入物品；只有缓冲区不为空，消费者才可以拿走物品。
思路：
（1）缓冲区属于临界资源，因此需要使用一个互斥量 mutex 来控制对缓冲区的互斥访问。
（2）empty 表示空缓冲区，full 表示满缓冲区。当 empty 不为 0 时，生产者才可以放入物品；当 full 不为 0 时，消费者才可以取走物品。
注意事项：
不能先对缓冲区进行加锁，再测试信号量。也就是说，不能先执行 down(mutex) 再执行 down(empty)。
生产者对缓冲区加锁后，执行 down(empty) 操作，发现 empty = 0，此时生产者睡眠。
由于缓冲区已加锁，消费者无法执行 up(empty) 操作，empty 永远都为 0，那么生产者和消费者就会一直等待下去，造成死锁。
#define N 100
typedef int semaphore;
semaphore mutex = 1;
semaphore empty = N;
semaphore full = 0;
void producer() {
while(TRUE){
int item = produce_item();
down(&empty);
down(&mutex);
insert_item(item);
up(&mutex);
up(&full);
}
}
void consumer() {
while(TRUE){
down(&full);
down(&mutex);
int item = remove_item();
up(&mutex);
up(&empty);
consume_item(item);
}
}
4. 管程
使用信号量机制实现的生产者消费者问题需要客户端代码做很多控制，
而管程把控制的代码独立出来，不仅不容易出错，也使得客户端代码调用更容易。
在一个时刻只能有一个进程使用管程。进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程。
管程引入了条件变量以及相关的操作来实现同步。
对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来给另一个进程持有；
执行 signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。
5. 经典同步问题
（1）读-写问题：对于多个进程，不允许「写」时发生「写」和 「读」。
一个整型变量 count 记录在对数据进行读操作的进程数量；
一个互斥量 count_mutex 用于对 count 加锁，一个互斥量 data_mutex 用于对读写的数据加锁。
（2） 哲学家进餐问题
五、进程通信
1. 进程同步与进程通信联系与区别
- 进程同步：控制多个进程按一定顺序执行；
- 进程通信：进程间传输信息。
进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。
为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步所需要的信息。
信号量也属于进程通信的一种方式，但是属于低级别的进程通信，因为它传输的信息非常小。
2. 进程间通信方式
有两种：共享内存、消息传递。
2.1. 共享内存
共享内存是最快的进程通信方式。
操作系统建立一块共享内存，并将其映射到每个进程的地址空间上，进程就可以直接对这块共享内存进行读写。
2.2. 消息传递
有三种：管道、消息队列、套接字
（1）管道
写进程在管道的尾端写入数据，读进程在管道的首端读出数据。
流控制机制：
进程试图读空管道时，进程将一直阻塞，直至有数据写入。
管道已经满时，进程再试图写管道，写进程将一直阻塞，直至在其它进程从管道中移走数据。
（2）消息队列
克服了管道只能承载无格式字节流、缓冲区大小受限等缺点。
（3）套接字
用于不同机器进程间通信。
