王道操作系统笔记2

王道操作系统笔记2

王道操作系统笔记整理 2进程管理

• • 2.1.1进程的概念、组成和特征
  • 2.1.2 进程的状态与转换
  • 2.1.3 进程控制
  • 2.1.4 进程通信
  • 2.1.5 线程的概念
  • 2.1.6 多线程模型
  • 2.2.1 调度的概念、层次
  • 2.2.2 进程调度的时机、切换与过程、方式
  • 2.2.3 调度算法的评价指标
  • 2.2.4 FCFS、SJF、HRRN调度算法
  • 2.2.5 调度算法：时间片轮转、优先级、多级反馈队列
  • 2.3.1 进程同步和进程互斥
  • 2.3.2 进程互斥的软件实现方法
  • 2.3.3 进程互斥的硬件实现方法
  • 2.3.4 信号量机制
  • 2.3.5 用信号量机制实现进程同步、互斥、前驱关系
  • 2.3.6 生产者-消费者问题
  • 2.3.7 多生产者-多消费者问题
  • 2.3.8 多生产者-多消费者问题
  • 2.3.9 读者-写者问题
  • 2.3.10 哲学家进餐问题
  • 2.3.11 管程
  • 2.4.1 死锁的概念
  • 2.4.2 预防死锁
  • 2.4.3 避免死锁
  • 2.4.3 死锁的检测和解除

2.1.1进程的概念、组成和特征

1 进程的概念
区分程序和进程

• 程序：是静态的，是存放在磁盘里的可执行文件，是一系列的指令集合
• 进程：是动态，是程序的依次执行过程（同一个程序多次执行会对应多个进程）

2 进程的组成
（1）PID
当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的PID—唯一标志

*操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息都会被保存在一个数据结构PCB（进程控制块）中

（2）程序段、数据段
一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成
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

1. 程序运行过程
   
   *进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的---->进程实体反映进程在某一时刻的状态

2. 进程的组成
   

3 进程的特征

2.1.2 进程的状态与转换

1 进程的状态

**操作系统根据进程PCB中变量state表示进程当前状态

2 进程状态转换

*进程不能由阻塞态直接转换为运行态，也不能由就绪态直接转换为阻塞态

3 进程的组织
操作系统会将各进程的PCB组织起来以方便对同一个状态下的各个进程进行统一管理

1. 链接方式
   根据进程状态将PCB分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针
   
2. 索引方式
   根据进程状态建立索引表，操作系统持有指向各个索引表的指针
   

2.1.3 进程控制

1 进程控制概述
进程控制是对系统中的所有进程实施有效管理，具有创建新进程，撤销原有进程，实现进程状态转换等功能

2 实现方法
用原语实现
*原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性，程序运行不可中断
*注：若进程控制过程无法“一气呵成”，可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一，影响操作系统进行别的管理工作

• 如何实现原语的“原子性”？
  利用“关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现（不允许普通用户程序使用，只能让内核程序使用）
  

3 进程控制相关原语

• 进程的创建
  

• 进程的终止
  

• 进程的阻塞和唤醒
  *因何事阻塞，就应由何事唤醒---->阻塞源于和唤醒原语成对使用

• 进程的切换
  

无论哪个进程控制原语，都要做的三类事情是：

1. 更新CPB中的信息
2. 将CPB插入合适的队列
3. 分配 / 回收资源

4 环境信息
*CPU中会设置很多“寄存器”用于存放程序运行过程所需的某些数据

另一个进程在运行过程中会使用各个寄存器，可能覆盖原先进程保留的结果
解决方法：在进程切换时先在CPB中保存这个进程的运行环境（保存一些必要的寄存器信息）

2.1.4 进程通信

1 进程通信概述
进程通信指进程之间的信息交换
各进程拥有的内存地址空间相互独立，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间

2 进程通信方式

1. 共享存储
   

• 基于数据结构的共享----低级通信方式
  共享速度慢，限制多（如数据类型，数据大小等）
• 基于存储区的共享----高级通信方式
  在内存中划出一块共享存储区，数据形式、存放位置都由进程控制而非操作系统，共享速度快

2. 管道通信
   
   管道：用于连接读写进程的一个共享文件（pipe文件），其实是在内存中开辟大小固定的缓冲区

• 管道只采用半双工通信（单向传输）
• 各进程互斥地访问管道
• 数据以字符流形式写入管道
  管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞；管道读空时，读进程的read()系统调用将被阻塞
• 没写满不允许读，没读空不允许写
• 数据一旦被读出就从管道中被抛弃---->读进程最多只有一个

3. 消息传递
   进程间数据交换以格式化信息为单位
   进程通过操作系统提供的**“发送消息/接收消息”**两个原语进行数据交换
   

• 直接通信方式
  消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
• 间接通信方式（信箱通信方式）
  消息要先发送到中间实体（信箱）中

2.1.5 线程的概念

1 线程的引入
*有些进程需要同时做很多事，而传统的进程只能串行地执行一系列程序，为此引入线程增加并发度

线程----“轻量级进程”
线程是一个基本的CPU执行单元，是程序执行流的最小单位，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元
*进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发

2 变化

3 线程的属性

2.1.6 多线程模型

1 线程的实现方式

1. 用户级线程
   
   *程序员自己写了一个线程库对线程进行管理，在处理机运行时操作系统只看得到进程

• 用户级线程由应用程序通过线程库实现，所有的线程管理工作都由应用程序负责（包括线程切换）
• 线程切换由应用程序完成（用户态），无需CPU变态，无需操作系统干预
• 在用户看来有多个线程，在操作系统内核看来不能意识到用户级线程的存在
  

2. 内核级线程
   由操作系统支持的线程
   

• 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成
• 线程调度、切换等工作由内核负责，内核级线程切换必须在核心态下才能完成
• 操作系统会为每个内核级线程建立相应的TCB对线程进行管理
  

2 多线程模型（根据用户级线程和内核级线程的映射关系划分）

1. 一对一：每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程
   
   
2. 多对一：多个用户级线程映射到一个内核级线程，一个进程只被分配一个内核级线程
   操作系统只看得见内核级线程，只有内核级线程才是处理机分配的单位
   
   
3. 多对多：n用户及线程映射到m个内核级线程（n>=m），每个用户进程对应m个内核级线程
   
   内核级线程才是处理机分配的单位
   *内核级线程中可以运行任意一个有映射关系的用户级线程代码，只有两个内核级线程中正在运行的用户级线程都阻塞时，该进程才会阻塞

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2.2.1 调度的概念、层次

1 基本概念
调度：当有一堆任务要处理，但由于资源有限无法同时处理，需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序

2 三个层次

• 高级调度（作业调度）：按一定的原则从外存的作业后备队列中挑选一个作业调入内存，并创建进程
  *每个作业只调入一次（创建PCB）、调出一次（撤销PCB）
• 低级调度（进程调度/处理机调度）：按照某种策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它
  *是操作系统最基本的调度，在一般的操作系统中必须配置
  *进程调度频率很高，一般几十毫秒一次
• 中级调度：按照某种策略决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存
  *内存不够时可将某些进程的数据调出外存，等内存空闲时或进程需要运行时再重新调入内存
  *暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，被挂起的进程PCB会被组织成挂起队列
  **一个进程可能被多次调入、调出内存，中级调度发生的频率比高级调度更高

3 七状态模型

挂起和阻塞的区别
两种状态都暂时不能获得CPU服务，但挂起态将进程映像调到外存去了，而阻塞态下进程映像还在内存中

2.2.2 进程调度的时机、切换与过程、方式

1 进程调度的时机

1. 需要进行进程调度与切换的情况
   • 主动放弃处理机
     进程正常终止
     进程过程中发生异常和终止
     进程主动请求阻塞（如等待I/O）
   • 被动放弃处理机
     分给进程的时间片用完
     有更紧急的事需要处理（如I/O中断）
     有更高优先级的进程进入就绪队列
2. 不能进行进程调度与切换的情况
   • 在处理中断的过程中（过程复杂，与硬件相关）
   • 进程在操作系统内核程序临界区中
   • 在原子操作过程中（原语）

进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换 √
进程处于临界区中不能进行调度与切换 ×

• 临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源，各进程互斥的访问临界资源
• 临界区：访问临界资源的那段代码
• 内核程序临界区：一般用于访问某种内核数据结构的

内核程序临界区

普通临界区

2 进程调度的方式

• 非剥夺调度方式（非抢占方式）
  只允许进程主动放弃处理机。在运行过程中即便有更紧迫的任务到达，当前进程依然会继续使用处理机，直到该进程终止或主动要求进入阻塞态。
  *实现简单，系统开销小，但无法及时处理紧急任务---->适合于早期的批处理系统
• 剥夺调度方式（抢占方式）
  当一个进程正在处理机上执行时，如果有一个更重要或更紧迫的进程需要使用处理机，则立即暂停正在执行的进程，将处理机分配给更重要紧迫的那个进程。
  *可以优先处理更紧急的进程，也可实现让各进程按时间片轮流执行的功能（通过时钟中断）---->适合于分时操作系统、实时操作系统

3 进程的切换与过程

• 狭义的进程调度：从就绪队列中选中一个要运行的进程
  *这个进程可以是刚刚被暂停执行的进程，也可能是另一个进程，后一种情况就需要进程切换
  *进程切换是指一个进程让出处理机，由另一个进程占用处理机的过程
• 广义的进程调度：选择一个进程和进程切换两个步骤。

进程切换的过程主要完成了:

1. 对原来运行进程各种数据的保存
2. 对新的进程各种数据的恢复
   如程序计数器、程序状态字、各种数据寄存器等处理机现场信息，这些信息一般保存在进程控制块

*进程切换是有代价的，因此如果过于频繁的进行进程调度、切换，必然会使整个系统的效率降低，使系统大部分时间都花在了进程切换上，而真正用于执行进程的时间减少

2.2.3 调度算法的评价指标

• CPU利用率：CPU忙碌的时间占总时间的比例
  利用率 = 忙碌的时间 / 总时间
  *多道程序并发执行的情况，可用“甘特图”辅助计算
• 系统吞吐量：单位时间内完成的作业的数量
  系统吞吐量 = 总共完成了多少道作业 / 总共花了多少时间
• 周转时间：从作业被提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔
  包括：
  1.作业在外存后备队列上等待作业调度（高级调度）的时间
  2.进程在就绪队列上等待进程调度（低级调度）的时间
  3.进程在CPU上执行的时间
  4.进程等待I/O操作完成的时间
  *后三项在一个作业的整个处理过程中，可能发生多次
  周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
  平均周转时间 = 各作业周转时间 / 作业数
  带权周转时间 = 作业周转时间 / 作业实际运行时间（带权周转时间>=1，越小越好）
• 等待时间：指进程 or 作业处于等待处理机状态时间之和
  • 进程：等待时间指进程建立后等待被服务的时间之和（在等待I/O完成的期间其实进程也是在被服务的，不计入等待时间）
  • 作业：等待时间指建立进程后的等待时间和作业在外存后备队列中等待时间
    *一个作业总共需要被CPU服务多久，被l/O设备服务多久一般是确定不变的，调度算法其实只会影响作业/进程的等待时间
• 响应时间：从用户提交请求到首次产生相应所用的时间

2.2.4 FCFS、SJF、HRRN调度算法

1 先来先服务（FCFS）

例：

*如果进程非纯计算型进程，有计算又有I/O操作的进程，其等待时间就是
周转时间-运行时间-I/O操作时间

2 短作业优先
*用于进程调度应该称为短进程优先调度算法

• 非抢占式
  

• 抢占式（最短剩余时间优先算法）
  *需要调度的情况：

  • 有新进程加入就绪队列时
    如果新到达的进程剩余时间比当前运行的进程剩余时间更短，则有新进程抢占处理机
  • 进程完成时
    

  注意：

1. 如果题目中未特别说明，所提到的“短作业/进程优先算法”默认是非抢占式的
2. 很多书上都会说“SJF 调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少”
   严格来说，这个表述是错误的，不严谨的。之前的例子表明，最短剩余时间优先算法得到的平均等待时间、平均周转时间还要更少
   严格说法：
   • 在所有进程同时可运行时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少;
   • 在所有进程都几乎同时到达时，采用SJF调度算法的平均等待时间、平均周转时间最少;
   • 抢占式的短作业/进程优先调度算法（最短剩余时间优先, SRNT算法〉的平均等待时间、平均周转时间最少
3. 虽然严格来说，SJF的平均等待时间、平均周转时间并不一定最少，但相比于其他算法（如FCFS) ，SJF依然可以获得较少的平均等待时间、平均周转时间
4. 如果选择题中遇到“SJF算法的平均等待时间、平均周转时间最少”的选项，那最好判断其他选项是否有很明显的错误，如果没有更合适的选项，那就选择该选项

3 高响应比优先（HRRN）

非抢占式的调度算法，仅当前运行的进程主动放弃CPU时才需进行调度，调度时计算所有就绪进程的响应比，选取最高的进程上处理机

*这几种算法只关心公平性、整体性能指标，不关心“响应时间”，也不区分任务的紧急程度，适合于早期的批处理系统。对用户而言交互性糟糕

2.2.5 调度算法：时间片轮转、优先级、多级反馈队列

1 时间片轮转RR
**常用于分时操作系统，更注重“响应时间”

• 时间片太大：使得每个进程都可以在一个时间片内就完成，则时间片轮转调度算法退化为先来先服务调度算法，并且会增大进程响应时间
• 时间片太小：进程调度、切换是有时间代价的（保存、恢复运行环境），会导致进程切换过于频繁，系统会花大量的时间来处理进程切换，从而导致实际用于进程执行的时间比例减少。

2 优先级调度算法

• 非抢占式
  
• 抢占式：每次调度时选择当前已到达且优先级最高的进程
  

*优先数和优先级的对应关系由题目所交给条件决定

注意：

1. 就绪队列未必只有一个，可以按照不同优先级来组织，也可以把优先级高的进程排在更靠近队头的位置
2. 根据优先级是否可以动态改变，可将优先级分为：
   • 静态优先级：创建进程时确定，之后一直不变
   • 动态优先级：创建进程时有一个初始值，之后会根据情况动态地调整优先级
3. 如何设置各类进程的优先级
   • 系统进程优先级高于用户进程
   • 前台进程优先级高于后台进程
   • 操作系统更偏好I/O型进程（或称I/O繁忙型进程)
     *与I/O型进程相对的是计算型进程（或称CPu繁忙型进程）
4. 动态优先级调整时机
   如果某进程在就绪队列中等待了很长时间，则可以适当提升其优先级；如果某进程占用处理机运行了很长时间，则可适当降低其优先级
   如果发现一个进程频繁地进行I/O操作，则可适当提升其优先级

3 多级反馈队列调度算法---->对其他调度算法的折中权衡

*有源源不断的短进程时，优先级低的进程可能长期得不到服务---->会导致饥饿

*交互式操作系统（包括分时操作系统、实时操作系统等）更注重系统的响应时间、公平性、平衡性等指标，这几种算法能较好地满足交互式系统的需求，适合用于交互式系统

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2.3.1 进程同步和进程互斥

1 进程同步（直接制约关系）
进程同步指为完成某种任务而建立的两个或多个进程，这些进程因为需要在某些位置上协调它们的工作次序而产生的制约关系，需要通过进程同步解决异步问题
*进程间的直接制约关系源于它们之间的相互合作

2 进程互斥（间接制约关系）
临界资源：一个时间段内只允许一个进程使用的资源
对临界资源的访问，必须互斥地进行
*许多物理设备（比如摄像头、打印机）、许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源

进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待，当前访问临界资源的进程访问结束并释放该资源之后另一个进程才能去访问临界资源

• 逻辑上分为四部分代码
  

  1. 进入区：负责检查是否可进入临界区
     若可进入,则应设置正在访问临界资源的标志（上锁）以阻止其他进程同时进入临界区
  2. 临界区：访问临界资源的代码
  3. 退出区：负责解除正在访问临界资源的标志（解锁）
  4. 剩余区：做其他处理

  *进入区和退出区是负责实现互斥的代码段

• 原则（保证系统整体性能）

  1. 空闲让进：临界区空闲时可以允许一个请求进入临界区的进程立即进入临界区
  2. 忙则等待：当已有进程进入临界区时，其他试图进入临界区的进程必须等待
  3. 有限等待：对请求访问的进程，应保证能在有限时间内进入临界区（保证不会饥饿)
  4. 让权等待：当进程不能进入临界区时应立即释放处理机，防止进程忙等待
     *忙等待指进程无法向下推进但却一直占用处理机，处理机一直处于忙碌状态

2.3.2 进程互斥的软件实现方法

1 单标志法
两个进程在访问完临界区后会把使用临界区的权限转交给另一个进程，即每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予

主要问题：违背“空闲让进”原则
必须轮流访问。如果允许进入临界区的进程是P0，但P0一直不访问临界区，即使临界区空闲也不允许P1访问

2 双标志先检查法
设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿
每个进程在进入临界区之前先检查当前有没有别的进程想进入临界区，如果没有则把自身对应的标志flag[i]设为true后开始访问临界区

主要问题：违背“忙则等待”原则
按照1-5-2-6-3-7…顺序执行时P0和P1会同时访问临界区
原因：进入区的检查和上锁两个处理不是一气呵成的，在“检查”后和“上锁”前这段时间内可能发生进程切换

3 双标志后检查法
设置一个布尔型数组flag[]，数组中各个元素用来标记各进程想进入临界区的意愿
每个进程在进入临界区之前先把自身对应的标志flag[i]设为true后，再检查当前有没有别的进程想进入临界区，如果没有则开始访问临界区

主要问题：违背“空闲让进”和“有限等待”原则
按照1-5-2-6…顺序执行时P0和P1都无法进入临界区，此时会因个进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象

4 Peterson算法
若双方抢夺临界资源，让进程尝试“谦让”

遵循空闲让进、忙则等待优先等待三个原则
主要问题：违背“让权等待”原则
让权等待：当一个进程无法进入临界区时应该退出而不占用CPU

2.3.3 进程互斥的硬件实现方法

1 中断屏蔽方法
利用“开/关中断指令”实现（在进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，不可发生进程切换）

• 优点：简单、高效
• 缺点：
  - 不适用于多处理机
  开/关中断指令只对执行该指令的处理机有用
  - 只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程
  开/关中断指令只能运行在内核态

2 TestAndSet指令（TS指令/TSL(TestAndSetLock)指令）
该指令由硬件实现，执行过程不允许被中断

！以上为C语言描述的逻辑
*old变量用于记录以前的临界区加锁状态

若刚开始lock是false， 则TSL返回的old值为false，while 循环条件不满足，直接跳过循环，进入临界区
若刚开始lock是true，则执行TLS后old返回的值为true，while 循环条件满足，会一直循环，直到当前访问临界区的进程在退出区进行“解锁”。

• 优点：
  - 实现简单
  - 把“上锁”和“检查”操作用硬件的方式变成了一气呵成的原子操作
  - 适用于多处理机环境
• 缺点：不满足“让权等待”原则
  *暂时无法进入临界区的资源会占用CPU并循环执行TSL指令

3 Swap指令（Exchange指令/XCHG指令）
该指令由硬件实现，执行过程不允许被中断

*逻辑上与TSL指令相同，先记录下此时临界区是否已经被上锁(记录在old变量上)，再将上锁标记lock设置为true，最后检查old，如果old为false则说明之前没有别的进程，此时对临界区上锁后则可跳出循环，进入临界区。

• 优点：
  - 实现简单
  - 适用于多处理机环境
• 缺点：不满足“让权等待”原则

2.3.4 信号量机制

1 信号量机制：实现进程互斥、同步的方法

1. 用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语对信号量进行操作
   *wait(S)原语和signal(S)原语（常简称为P、V操作），分别写为P(S)、V(S)
2. 信号量是一个变量(可以是一个整数，也可以是更复杂的记录型变量)，可以用一个信号量来表示系统中某种资源的数量
3. 原语由关中断/开中断指令实现，时一种特殊的程序段，其执行只能一气呵成，不可被中断
   *软件解决方案的主要问题是由“进入区的各种操作无法一气呵成”，因此如果能把进入区、退出区的操作都用“原语”实现，使这些操作能“一气呵成”就能避免问题

2 整型信号量
用一个整数型变量作为信号量，表示系统中某种资源的数量
*与普通整数变量相比仅有三种操作：初始化、P操作、V操作

• 优点：“检查”和“上锁”一气呵成，避免并发和异步导致的问题
• 缺点：不满足“让权等待”原则

3 记录型信号量
用记录型数据结构表示信号量

S.value的初值表示系统中某种资源的数目

• 一次P操作意味着进程请求一个单位的该类资源
  *资源数-1后S.value<0表示该类资源分配完毕
• 一次V操作意味着进程释放一个单位的该类资源
  *资源数+1后S.value<=0表示依然有进程在等待该类资源

该机制遵循了“让权等待”原则

2.3.5 用信号量机制实现进程同步、互斥、前驱关系

1 信号量机制实现进程互斥
互斥问题，信号量初值为1


注意：

• 对不同临界资源需要设置不同的互斥信号量
• P、V操作必须成对出现
  *缺少P不能保证临界资源的互斥访问，缺少V会导致资源永不被释放，等待进程永不唤醒

2 信号量机制实现进程同步
进程同步：让各并发进程按要求有序地推进
同步问题，信号量初值为0

在“前操作”之后执行V(S)
在“后操作”之前执行P(S)

3 信号量机制实现前驱关系
每一对前驱关系都是一个进程同步问题，本质上是多级同步问题

2.3.6 生产者-消费者问题

1. 问题模型：系统中有一组生产者进程和一组消费者进程，生产者进程每次生产一个产品放入缓冲区，消费者进程每次从缓冲区中取出一个产品并使用
   *生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区，缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问
   - 缓冲区没满–>生产者生产
   - 缓冲区没空–>消费者消费

2. 如何实现
   

3. 能否改变相邻P、V操作的顺序

   • P(mutex)操作在P(empty)和P(full)操作前
     
     造成生产者等待消费者释放空闲缓冲区，而消费者又等待生产者释放临界区的情况，生产者和消费者循环等待被对方唤醒，出现==“死锁”==
     *若缓冲区中没有产品（full=O, empty=n）时 按③④①的顺序执行就会发生死锁
     ！实现互斥的P操作一定要在实现同步的P操作之后
   • V(mutex)操作在V(empty)和P(full)操作后
     V操作不会导致进程阻塞，故两个V操作顺序可交换

2.3.7 多生产者-多消费者问题

1. 问题模型：不同类别的生产者+不同类别的消费者
   

2. 分析

3. 如何实现
   
   
   如果缓冲区大小为1，有可能不需要设置互斥信号量就可以实现互斥访问缓冲区的功能
   如果缓冲区大小大于1，必须专门设置一个互斥信号量mutex实现互斥访问缓冲区的功能

4. 注意
   - 解题方法：
   1.关系分析。找出题目中描述的各个进程，分析它们之间的同步、互斥关系。
   2.整理思路。根据各进程的操作流程确定P、V操作的大致顺序。
   3.设置信号量。设置需要的信号量，并根据题目条件确定信号量初值。 (互斥信号量初值一般为1，同步信号量的初始值要看对应资源的初始值是多少)
   - 分析关系的方法
   从==“事件”==的角度来考虑，把“进程行为的前后关系”抽象为对“事件的前后关系”

2.3.8 多生产者-多消费者问题

1. 问题模型：可以生产多个产品的单生产者+不同类别的消费者
   
2. 分析
   
   
3. 如何实现
   
4. 注意
   - 轮流与随机
   轮流：用一个整型变量i实现“轮流的在桌上放上组合一、二、三”
   随机：用一个Random变量(随机数)实现
   - 若一个生产者要生产多种产品(或者说会引发多种前驱事件)，那么各个V操作应该放在各自对应的“事件”发生之后的位置。

2.3.9 读者-写者问题

1. 问题描述
   
   *与消费者进程不同：读者进程读数据后不会将数据清空，不会改变数据（多个读者可同时访问共享数据）
   *写进程和读进程或两个写进程同时共享数据，可能导致读出数据不一致、数据错误覆盖等问题

2. 分析
   

3. 如何实现

• 读进程优先---->写进程可能会饿死
  
• 写进程优先（读写公平：先来先服务）
  

4. 注意
   - 计数器count：用于记录当前正在访问共享文件的读进程数，用count值判断当前进入进程是否是第一个(上锁)/最有一个(解锁)读进程（实现读进程不互斥问题）
   - 对count变量的检查和复制实现“一气呵成”：使用互斥信号量
   - 写进程饥饿问题：使用一个信号量w实现

2.3.10 哲学家进餐问题

1. 问题描述：需要同时持有多个共享资源，进程间只存在互斥关系
   
2. 分析
   
3. 如何实现
   死锁现象：
   
   防止死锁：
   ① 可以对哲学家进程施加一些限制条件
   *如最多允许四个哲学家同时进餐。这样可以保证至少有一个哲学家是可以拿到左右两只筷子的---->设置初始值为4的同步信号量
   ② 要求奇数号哲学家先拿左边的筷子，然后再拿右边的筷子，而偶数号哲学家刚好相反。
   *保证如果相邻的两个奇偶号哲学家都想吃饭，那么只会有其中一个可以拿起第一只筷 子，另一个会直接阻塞---->判断序号后根据序号做不同处理
   ③ 仅当一个哲学家左右两支筷子都可用时才允许他抓起筷子，各哲学家拿筷子这件事必须互斥的执行
   
   *保证即使一个哲学家在拿筷子拿到一半时被阻塞，也不会有别的哲学家会继续尝试拿筷子。当前正在吃饭的哲学家放下筷子后，被阻塞的哲学家就可以获得等待的筷子。

2.3.11 管程

1 作用：一种高级同步机制，用于解决信号量机制变成麻烦、易出错的问题

2 组成和特征
组成：

1. 局部于管程的共享数据结构说明
2. 对该数据结构进行操作的一组过程（用于访问共享数据的“入口”–函数）
3. 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句
4. 管程有一个名字

基本特征:

1. 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问
2. 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（只有通过特定“入口”才能访问共享数据）
3. 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程（每次只开放其中一个“入口”，只能让一个进程或线程进入）

3 拓展

• 管程解决生产者-消费者问题
  
  *由编译器负责实现个进程互斥地进入管程中的过程
  *管程中可设置条件变量和等待/唤醒操作以解决同步问题：让一个进程或线程在条件变量上等待，也可以通过唤醒操作将等待在条件变量上的进程或线程唤醒

• Java中类似于管程的机制
  用关键字Synchronized描述一个函数，该函数在同一时间段内只能被一个线程调用

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2.4.1 死锁的概念

1 定义
死锁：在并发环境下，各进程因竞争资源而造成的一种互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，都无法向前推进的现象
*发生死锁后若无外力干涉，这些进程都将无法向前推进

2 死锁、饥饿、死循环的区别
共同点：进程无法顺利向前推进的现象

现象	不同点
死锁	各进程互相循环等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞（至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁，且发生死锁的进程一定处于阻塞态
饥饿	由于长期得不到想要的资源，某进程无法向前推进的现象（可能只有一个进程发生饥饿，发生饥饿的进程可能是阻塞态[长期得不到I/O设备]也可能是就绪态[长期得不到处理机]
死循环	某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象（死循环进程可以上处理机运行，可处于运行态）
	死锁和饥饿问题是由于操作系统分配资源的策略不合理导致的，而死循环是由代码逻辑的错误导致的。死锁和饥饿是管理者(操作系统)的问题，死循环是被管理者的问题

3 死锁产生的必要条件

• 互斥条件：只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁
• 不剥夺条件：进程所获得的资源在未使用完之前不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。
• 请求和保持条件：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请求进程被阻塞但又对自己已有的资源保持不放。
• 循环等待条件：存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求

同类资源大于1时即使发生循环等待时未必死锁(循环等待是死锁的必要不充分条件)
每类资源只有一个时发生循环等待必死锁(循环等待是死锁的充分必要条件)

4 什么时候会发生死锁
！分配资源不合理

1. 对不可剥夺的系统资源的竞争
2. 进程推进顺序非法，请求和释放资源的顺序不当
3. 信号量的使用不当

5 处理策略

1. 预防死锁：破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个
2. 避免死锁：用某种方法防止系统进入不安全状态
3. 死锁的检测和解除：操作系统负责检测出死锁的发生后采取某种措施解除死锁

2.4.2 预防死锁

破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个

1. 破坏互斥条件
   将互斥使用的资源改造为允许共享使用：用SPOOLing技术把独占设备在裸机上改造成共享设备
   缺点：不是所有资源都可被改造成可共享使用的资源，很多时候无法破坏互斥条件

2. 破坏不剥夺条件
   方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即主动释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请
   方案二：当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助将想要的资源强行剥夺
   缺点：
   - 实现起来比较复杂
   - 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效，只适用于易保存和恢复状态的资源（如CPU）
   - 反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量
   - 若采用方案一时只要暂时得不到某个资源，之前获得的那些资源就都需要放弃，以后再重新申请。如果一直发生这样的情况就会导致进程饥饿。

3. 破坏请求和保持条件
   采用静态分配方法使进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前不让它投入运行，一旦投入运行后这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源
   缺点:
   - 有些资源可能只需要用很短的时间，如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，会造成严重的资源浪费
   - 可能导致某些进程饥饿

4. 破坏循环等待条件
   采用顺序资源分配法，首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源，同类资源(即编号相同的资源)一次申请完
   一个进程只有已占有小编号的资源时才有资格申请更大编号的资源，已持有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象
   *在任何一个时刻总有一个进程拥有的资源编号是最大的，那这个进程申请之后的资源必然畅通无阻，不可能出现所有进程都阻塞的死锁现象
   缺点:
   - 增加新的设备可能需要重新分配所有的编号
   - 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，导致资源浪费;
   - 必须按规定次序申请资源使用户编程麻烦

2.4.3 避免死锁

1 安全序列
安全序列：指如果系统按照这种序列分配资源，则每个进程都能顺利完成
*安全序列可能有多个，只要能找出一个安全序列系统就是安全状态
*如果分配了资源之后系统中找不出任何一个安全序列，系统就进入了不安全状态，意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。如果有进程提前归还了一些资源，那系统也有可能重新回到安全状态
如果系统处于安全状态，就一定不会发生死锁。如果系统进入不安全状态，就可能发生死锁（处于安全状态是不发生死锁的充分非必要条件）

2 银行家算法
核心思想：在资源分配前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，若会进入不安全状态则暂时不答应请求，使该进程先阻塞等待

实现：（假设系统中有n个进程，m种资源）
nm矩阵Max：表示所有进程对各种资源的最大需求数，Max[i, j]=K表示进程Pi最多需要K个资源Rj
nm的分配矩阵Allocation：表示对所有进程的资源分配情况
Need=Max - Allocation矩阵：表示各进程最多还需要多少各类资源
长度为m的一维数组Available：表示当前系统中还有多少可用资源
长度为m的一维数组Request：表示某进程Pi向系统申请的各种资源量

银行家算法步骤: .
①检查此次申请是否超过了之前声明的最大需求数
②检查此时系统剩余的可用资源是否还能满足这次请求
③试探着分配，更改各数据结构
④用安全性算法检查此次分配是否会导致系统进入不安全状态

安全性算法步骤:
①检查当前的剩余可用资源是否能满足某个进程的最大需求，如果可以，就把该进程加入安全序列，并把该进程持有的资源全部回收。
②不断重复上述过程，看最终是否能让所有进程都加入安全序列。

2.4.3 死锁的检测和解除

1 死锁的检测

1. 必要条件
   ①用某种数据结构（资源分配图）来保存资源的请求和分配信息
   ②提供一种算法，利用上述信息来检测系统是否已进入死锁状态
2. 资源分配图
   
3. 死锁检测
   检测过程：
   如果系统中剩余的可用资源数足够满足进程的需求，那么这个进程暂时是不会阻塞，可以顺利地执行下去。
   如果这个进程执行结束了把资源归还系统，就可能使某些正在等待资源的进程被激活，并顺利地执行下去。这些被激活的进程执行完了之后又会归还一些资源，这样可能又会激活另外一些阻塞的进程。
   按上述过程分析，最终能消除所有边，就称这个图是可完全简化的。此时一定没有发生死锁 (相当于能找到一个安全序列)
   如果最终不能消除所有边，那么此时就是发生了死锁，还连着边的进程是处于死锁状态的进程
   检测死锁的算法:
   1. 在资源分配图中，找出既不阻塞又不是孤点的进程Pi，消去它所有的请求边和分配变，使之称为孤立的结点
   2. 进程Pi所释放的资源可以唤醒某些因等待这些资源而阻塞的进程，原来的阻塞进程可能变为非阻塞进程

2 死锁的解除
方法

1. 资源剥夺法：挂起(暂时放到外存上)某些死锁进程，并抢占它的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程
   *应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿
2. 撒销进程法(或称终止进程法)：强制撤销部分、甚至全部死锁进程，并剥夺这些进程的资源
   *优点是实现简单，但所付出的代价可能会很大，有些进程可能已经运行了很长时间已经接近结束，一旦被终止后还得从头再来
3. 进程回退法：让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步
   *要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点

！并不是系统中所有的进程都是死锁状态，用死锁检测算法化简资源分配图后，还连着边的那些进程才是死锁进程

如何决定对哪些进程动手

1. 进程优先级
2. 已执行多长时间
3. 还要多久能完成
4. 进程已经使用了多少资源：对使用资源多的先动手
5. 进程是交互式的还是批处理式的：对批处理(计算型)的先动手