程序活着的标志是进程，把进程总结为一个公式：进程=程序+状态。
多个进程在内存中运行过程就像一场社交活动，需要交流，为了保证社交活动能够正常进行就要对进程的行为作出干预（调度）。因此需要对单个进程、多个进程的交流进行管理。

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（一）进程

1.什么是进程

关于进程的定义有很多，其中一个定义是：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。

其实进程也就是程序在内存中运行时的标志，当一个程序被执行时，它从外存被调入到内存中工作，通过进程来标志它的工作状态。因此需要创建小本本一样东西来记录它的状态，这个东西就要做进程控制块（Process Control Block,PCB），一旦PCB被创建了，也就意味着该程序的进程创建了。

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2.进程为什么会出现

由于多道批处理操作系统的出现，多个程序可以并发运行，并且可共享资源，这导致了它们失去了封闭性。一旦失去封闭性，某个程序执行的命令、使用的变量都会受到其他程序的影响，因此引入进程来管理程序的运行状态。

3.进程有哪些特征

每个程序运行都会创建一个进程，进程通过PCB来记录动态运行时的状态，既然PCB用于记录，那么要符合一定的约束条件，记录必须描述，才便于管理。由此可得出进程的特征：

• 动态性，这是一个进程的生命周期
• 并发性，多个程序可并发执行，使得多个进程可并发运行
• 独立性，每个进程都是独立的模块，运行自己的生命周期
• 异步性，由于进程是独立运行的，由于其运行速度不一致导致异步
• 结构性，进程是由程序段、数据段和PCB组成

4.如何创建一个进程

程序放在外存中，当用户运行某个程序时，该程序会从外存调入到内存中，这是进程创建的过程。具体实现过程如下图所示：

进程创建过程

PCB记录进程的基本描述信息、控制和管理等一系列信息。其中一项——进程当前状态，不断更新进程的生命状态。进程有5种生命状态：新建、就绪、运行、阻塞和终止。
进程一旦被创建就加入到就绪队列等待调度，此时进程获得除处理机以外的所有资源，只要进程获得处理机便进入到运行态；进程在运行一个时间片周期后，没有执行完毕，重新调回就绪队列中，如果执行过程中需要获取如打印机这类资源，则调入阻塞队列；只要进程等待事件到来，便重新加入就绪队列中。

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5.什么是线程

线程是“轻量级进程”。如果把进程比作工厂，那么线程就是工厂里的生产线，生产线上的元件是共享资源。
同进程一样，线程可以创建和撤销子线程，多个线程之间可以并发执行，同时它也有就绪、阻塞和运行三种状态。

线程示意图

6.线程实现了什么

由于进程的并发性，使得其在创建、相互切换等花费较大的时空开销，引入线程，目的就是为了实现减小程序在并发执行时所付出的时空开销。
体现在以下方面：

• 调度。引入线程后的操作系统，以线程作为独立调度的基本单位，而进程作为拥有资源的基本单位，如此，在同一进程内切换线程不会引起进程的切换，但是不同进程切换线程，会引起线程切换；
• 资源。进程是拥有资源的基本单位，线程共享进程内的资源，这大大减少了资源开销；
• 并发。多个线程可并发执行，提高系统吞吐量；
• 通信。进程间通信需要进程同步和互斥手段辅助，线程间直接读/写进程数据段来进行通信。

（二）调度

1.进程调度史

在多道批处理系统中，进程并发运行，争夺处理机，为了解决这个问题，使用处理机调度，利用公平、高效的算法选择一个进程运行。

程序执行往往经历三级调度：

• 作业调度：辅存与内存之间的调度，每个作业只调入一次，调出一次，每次调入分配内存、输入\输出等必要资源；
• 中级调度：将暂时不用进程调到外存等待，此时的进程还拥有资源，一旦内存空闲且需要运行，则重新调入内存；

• 进程调度：按照某种策略从就绪队列中选择一个进程运行

  
  调度层次

2.调度方式

如果某个进程A正在CPU上执行时，有一个优先级更高的进程B进入就绪队列，如何分配CPU？两种方式，第一种，等待A的时间片用完或者进入阻塞态后，才把CPU分配给B，第二种，直接暂停A，把CPU分配给B。
这两种方式分别称为非剥夺调度方式和剥夺调度方式：

调度方式

非剥夺调度方式相比较剥夺调度方式来说优雅一些，比如你在排队在窗口买火车票，有个人很着急，他越过排在你后面的所有人，直接排在你后面，等你买完票后轮到他买，这就像非剥夺调度，而另一种人则直接把你从买票窗口推开，直接买票，这是剥夺式调度。

3.调度算法

操作系统中有6中常用的调度算法：

• 先来先服务：哪个进程优先进入就绪队列，就先执行哪个进程。

  
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• 短作业优先：根据进程运行时间长短选择最短的进程，这种算法下有非剥夺式短作业优先和剥夺式短作业优先。
  非剥夺式短作业优先：qq在处理机上执行，就绪队列中微信的运行程序比它短，但是微信等待qq从处理机上退出后才获得处理机；
  剥夺式短作业优先：由于就绪队列中的微信运行时间比qq短，直接暂停qq，把处理机分配给微信。

  
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• 优先级调度：PCB中记录每个进程的优先级，将处理机分配给优先级高的进程，同短作业优先一样，这种算法下也有非剥夺式优先级调度和剥夺式优先级调度。

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• 高响应比优先调度：这种调度方式常用与作业调度，根据公式选择响应比高的作业运行。

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• 时间片轮转调度：主要用于分时系统，所有进程在就绪队列排队，每个进程依次定时使用处理机，如果规定时间范围内进程没有完成，则重新排队。

• 多级反馈队列调度：该算法结合优先级调度和时间片轮转调度，将就绪队列分为不同级别优先级，对优先级不同的队列运行时间不同，优先级高的队列运行时间短，优先级低的队列运行时间长。
  如图：
  1.在优先级为3的队列上有3个进程等待运行，有1个进程在CPU上处理，当时间片用完时这些程序都没有执行完毕，则依次进入优先级为2的队列等待调度；2.qq、wechat在优先级为2的队列执行完毕，直接退出，而浏览器和lol没有执行完毕，它们进入第三个队列等待调度。

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（三）进程同步

1.进程之间的关系

多个进程并发运行，它们之前有什么联系？协助和竞争，也就是同步和互斥。
同步：多个进程为了完成同个任务而相互等待，它们之间是相互合作关系。
互斥：多个进程因争夺某一临界资源而等待，只有一个进程使用完后，另一个程序才能使用，它们是竞争关系。

2.解决同步、互斥的方法

解决同步、互斥问题的原因主要是为了保护数据，避免产生与最终预期不一致的结果。
1.软件实现方法
2.硬件实现方法
3.信号量

（四）死锁

1.死锁是什么

计算机内部资源有限，如果多个进程并发执行，且每个进程在执行一开始获得部分资源，执行过程中需要申请其他资源，此时申请的资源被其他程序占用，使得多个进程无法向前推进，形成死锁。

比如两辆车同时过河，它们上桥行驶一半后发现对方，但都不退让，使得双方都没办法继续先前行驶。

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2.死锁产生的原因

系统资源的竞争和进程推进顺序非法。

系统资源的竞争：计算机内部存在不可剥夺的资源，一旦多个进程争夺这些资源，就有可能造成死锁；
进程推进顺序非法：进程执行过程中会不断请求和释放资源，如果某一进程对资源需求量大，不断请求该资源，使得其他进程无法请求足够资源，也会导致死锁。

3.什么条件下会产生死锁

死锁产生的必要条件：

• 互斥条件：进程之间存在竞争关系；
• 不剥夺条件：进程只能主动释放资源，不能在运行中被剥夺；
• 请求并保持条件：已有资源的进程在执行过程中申请被其他程序占用的资源；
• 循环等待条件：每个已获得资源的进程同时被其他进程请求资源，形成循环链。

4.避免死锁的策略

避免死锁的策略以破坏以上四个必要条件为目的，在三个不同时机（事前、事中和事后）提出不同的策略。
这三个时机分别对应：死锁预防、死锁避免和死锁检测。

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