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第二章 併發與進程
2.1 進程的概念
★ 進程
一個正在執行的程序、正在運行的程序的一個實例、由處理器執行的一個實體
進程 = 進程控制塊(PCB) + 程序段 + 數據段 + 棧
- 引入目的：
使多道程序能夠正確地併發執行 - 進程的兩個基本屬性：
– 擁有資源的獨立單位：一個進程包括一個保存進程映像的虛地址空間，擁有對資源的控制或所有權。
– 調度／執行的基本單位：一個具有狀態和優先級，可被被操作系統調度並分派的實體。
★ 基本特徵
- 動態性：(本質特性) 一個正在計算機上執行的程序實例，存在生命週期
- 併發性：(重要特性) 任何進程都可以同其他進程一起向前推進
- 獨立性：各進程的地址空間相互獨立，除非採用進程間通信手段
- 異步性：按各自獨立的、不可預知的速度向前推進
- 結構性
★ 進程的狀態轉換
- 就緒狀態：進程在內存，已分配到除CPU之外的所有必要資源，準備執行
- 執行狀態：進程已獲得CPU，其程序正在執行。
- 阻塞狀態：正在執行的進程由於需要等待某個事件發生而暫時無法繼續執行。
- 新建狀態：OS已完成爲創建一個進程所必要的工作，但進程自身還未進入主存。
- 終止狀態：進程完成或發生錯誤，其表格和其他信息暫時保留。
- 掛起狀態：進程交換到外存，不再參與CPU的競爭。<—> 對換技術
- 就緒/掛起：進程在外存，只要調入內存並獲得CPU即可執行
- 阻塞/掛起：進程在外存，等待事件
2.2 操作系統爲控制程序所建立的數據結構
內核的概念：一些與硬件緊密相關、基本的、公共的、運行頻率較高的模塊，以及關鍵性數據結構等常駐內存，便於提高操作系統運行效能的這部分軟件，稱爲操作系統的內核。
★ 操作系統內核的功能
- 資源管理功能：進程管理、存儲管理、I/O設備管理
- 支撐功能：中斷處理、時鐘管理、原語操作、統計監測功能
★ 操作系統控制結構
操作系統構造並維護它所管理的每個實體的信息表，一般有4種不同類型的表：內存、I/O、文件和進程。
★ 進程控制塊
進程控制塊的作用： 進程存在的唯一標誌；PCB常駐內存。
進程控制塊中的信息：
- 進程標示符：唯一地標識一個進程。內部、父、用戶標識符
- 處理機狀態信息：通用寄存器、指令計數器、程序狀態字、用戶棧指針
- 進程控制信息：進程狀態、進程優先級、進程調度所需的其他信息、事件
- 其他信息：程序和數據的地址、進程同步和通信機制、資源清單、鏈接指針
進程控制塊的組織方式：
- 索引方式、
- 鏈接方式(單一隊列、多級隊列)
2.3 操作系統對進程的控制
2.3.1 進程的創建
引起創建進程的事件
- 用戶登錄、爲新的作業創建進程、操作系統因爲提供一項服務而創建、由現有的進程派生
創建進程的步驟：
- 給新進程分配一個唯一的進程標識符
- 爲進程分配空間、初始化進程控制塊
- 建立鏈接，將之插入就緒或就緒/掛起鏈表
- 建立或擴充其它數據結構
2.3.2 進程的撤銷
引起進程終止的事件
- 正常結束、異常結束（越界錯誤、保護錯、非法指令、特權指令錯、運行超時、等待超時、算術運算錯、I/O故障）、外界干預（程序員kill進程、父進程終止、父進程請求）
進程終止的步驟
- 根據被終止進程的標識符找到其PCB，讀出該進程的狀態
- 若該進程爲執行狀態，則終止其執行，調度下一個就緒進程執行
- 若該進程還有子孫進程，還應將其所有子孫進程予以終止
- 將該進程所擁有的全部資源，或者歸還給其父進程，或者歸還給系統
- 將被終止進程的PCB從所在隊列中移出
2.3.3 進程的阻塞
引起阻塞的事件
- 請求系統服務而得不到滿足、啓動某操作而需同步、新數據尚未到達、無新工作
進程阻塞的步驟
- 進程通過調用阻塞原語block( )把自己阻塞
- 將PCB中的狀態由“執行”改爲“阻塞”，並將PCB插入阻塞隊列
- 調度程序將處理機分配給另一就緒進程，並進行切換
2.3.4 進程的喚醒
- 由有關進程調用喚醒原語wakeup( )將等待該事件的進程喚醒
- 被阻塞的進程從等待該事件的阻塞隊列中移出
- 將其PCB中的現行狀態由阻塞改爲就緒
- 將該PCB插入到就緒隊列中
2.3.5 進程的掛起
引起掛起suspend( )的事件
- 內存資源緊張、進程全部阻塞，CPU空閒
程序掛起的步驟： - 檢查被掛起進程的狀態，若處於就緒狀態，便將其改爲就緒/掛起
- 對於處於阻塞狀態的進程，則將之改爲阻塞/掛起
- 將進程移出內存
2.3.6 進程的激活
- 將進程從外存處於掛起狀態的進程調入內存，激活原語active()
- 檢查該進程的現行狀態： 若是就緒/掛起，便將之改爲就緒；若爲阻塞/掛起，便將之改爲阻塞
2.3.7 進程切換
概念：調度另一個就緒進程佔用處理器執行
何時發生：時鐘中斷、I/O中斷、內存失效、陷阱、系統調用
進程切換的步驟：
- 保存處理器上下文環境，包括程序計數器和其它寄存器
- 更新當前處於運行狀態進程的進程控制塊
- 將進程的進程控制塊移至相應隊列（就緒、阻塞等）
- 選擇另一進程執行
- 更新其進程控制塊信息
- 恢復被選擇進程的上下文環境
★ UNIX進程控制
fork()：創建一個新進程。
調用格式: pid = fork()
在調用fork()之後，父進程和子進程均在下一條語句上繼續運行。在子進程中返回時，pid爲0；在父進程中返回時，pid爲所創建的子進程的標識。
2.4 線程
2.4.1 線程的概念
概念：線程又叫輕量級進程，進程的一個實體，是系統獨立調度和分派的基本單位。
優勢：增加系統的併發性，減少併發執行時的時空開銷。
屬性
- 除了一點必不可少的資源（如TCB、程序計數器、寄存器和堆棧）外，線程基本
上不擁有系統的資源 - 獨立調度和分派的基本單位
- 同一個進程中的多個線程以及不同進程中的多個線程均可併發執行
- 同一個進程中的各線程可以共享該進程中所擁有的全部資源，如進程的地址空
間、已打開的文件、定時器和信號量等
2.4.2 進程與線程的關係
2.4.3 多線程併發
線程的基本狀態：
- 就緒狀態、執行狀態、阻塞狀態
線程的基本操作：
- 派生：線程可以由進程或線程所派生
- 阻塞：等待某事件，並釋放處理機
- 解除阻塞：等待的事件發生，狀態變成就緒，插入就緒隊列，等待調度執行。
- 結束：執行完畢，釋放其私有資源
2.4.4 線程的類型
- 用戶級線程：操作由應用程序完成；操作系統不知道線程存在，仍以進程爲調度單位。
- 內核級線程：操作由系統內核完成，以線程爲調度單位。
- 混合線程：操作由應用程序完成，多個用戶級線程被影射到一個或較少的某些內核級線程
2.5 進程調度
2.5.1 調度的目標和原則
目標：防止飢餓、提高處理器的利用率、提高系統吞吐量、減少響應時間
原則：用戶的需求（響應時間快、平均週轉時間短、滿足截止時間）、系統的需求（吞吐量大、CPU利用率高、各類資源的平衡使用、公平性、優先權）
2.5.2 調度的類型
長程調度（高級調度、作業調度）：
- 決定外存上處於後備隊列中的哪個作業調入內存
- 爲它們創建進程、分配必要的資源
- 將新創建的進程排在就緒隊列（就緒/掛起）上，等待短程（中程）調度。
中程調度（中級調度）
- 對換功能的一部份，用以提高內存的利用率和系統的吞吐量。
- 內存緊張時，選擇一個進程換出到外存（換出）。
- 內存充裕時，從外存選擇一個掛起狀態的進程調度到內存（換入）。
- 只有支持進程掛起的操作系統才具有中程調度功能
短程調度（進程調度、低級調度）
- 決定就緒隊列中的哪個進程應獲得處理器
- 運行頻率最高
- 現代操作系統幾乎都具有短程調度功能
2.5.3 一些相關的基本概念
- 響應時間：從用戶通過鍵盤提交一個請求開始，直至系統首次產生響應爲止的時間。
響應時間 = 輸入傳送時間 + 處理時間 +響應傳送時間 - 週轉時間：從作業被提交給系統開始，到作業完成爲止的時間。
= 駐外存等待調度時間 + N *（駐內存等待調度時間+執行時間+阻塞時間） - 帶權週轉時間：作業的週轉時間與系統爲它提供服務的時間之比。
- 截止時間：某任務必須開始執行的最遲時間，或必須完成的最遲時間。一般用於實時系統。
- 系統吞吐量：在單位時間內系統所完成的作業數。
2.5.4 調度的分類
按是否剝奪當前進程來分：非剝奪方式、剝奪方式
按被調度進程的狀態來分：長程調度、中程調度、短程調度
2.5.5 常見的調度算法
2.6 實時系統與實時任務調度
實時系統的基本要求：
可確定性、可響應性、用戶控制、可靠性、失效弱化
實時任務的分類
按截止時間分：硬實時任務、軟實時任務
按週期性分：週期性任務、非週期性任務
實時調度的目標
使硬實時任務在其規定的截止時間內完成（或開始），同時儘可能使軟實時任務也能在規定的截止時間內完成（或開始）。
★ 常見的實時調度算法
(1) 基於時間片輪轉的調度 秒級，用於分時、一般實時處理系統
(2) 基於優先級的非搶佔調度 百毫秒~數秒級，用於多道批處理系統
(3) 基於優先級的搶佔點搶佔調度 幾毫秒~幾十毫秒，一般實時系統
(4) 立即搶佔式調度 毫秒級，苛刻的實時系統
(x) 限期(deadline)調度: 最早截止時間優先調度算法（EDF）
最低鬆弛度優先調度算法（LLF）
速度單調調度算法（RMS）
鬆弛度=完成截止時間-剩餘執行時間-當前時間
2.7 併發控制
★ 相關概念
臨界資源：一次僅允許一個進程訪問的資源爲臨界資源
臨界區：把在每個進程中訪問臨界資源的那段代碼稱爲臨界區。臨界區是一段代碼，在這段代碼中進程將訪問臨界資源，當另外一個進程已經在這段代碼中運行時，這個進程就不能在這段代碼中執行。
死鎖：兩個或兩個以上的進程相互等待導致都不能執行
互斥：當一個進程在臨界區訪問臨界資源時，其他進程不能進入該臨界區訪問共享資源
競爭：多個進程讀寫一個共享數據時依賴它們執行的相對時間
飢餓：一個進程已經完全具備了執行的條件，但是得不到CPU資源
★ 進程間的制約關係
間接制約：資源共享–>互斥
直接制約：進程合作–>同步
★ 臨界區使用原則（互斥條件）
- 空閒讓進：如臨界區空閒，則有進程申請就立即進入。
- 忙則等待：每次只允許一個進程處於臨界區。
- 有限等待：保證進程在有限時間內能進入臨界區。
- 讓權等待：進程在臨界區不能長時間阻塞等待某事件。
2.8 互斥與同步的解決策略
★ 軟件方法
在進入區設置和檢查一些標誌來標明是否有進程在臨界區。若已有進程在臨界區，則在進入區通過循環檢查進行等待，進程離開臨界區後則在退出區修改標誌。
始終存在忙等問題。
通常能實現兩個進程的互斥，很難控制多個進程的互斥。
★ 硬件方法
屏蔽中斷：避免進程切換，實現互斥訪問。
專用機器指令：設計專門的機器指令用於保證動作的原子性，如Test&Set、Exchange。
硬件方法支持多處理機和多臨界區，但存在忙等、飢餓和死鎖的現象。
★ 信號量方法
信號量實現進程互斥的基本原理
- 兩個或多個進程可以通過傳遞信號進行合作，可以迫使進程在某個位置暫時停止
執行（阻塞等待），直到它收到一個可以“向前推進”的信號（被喚醒）。 - 信號量s一個域爲整型，另一個域爲隊列(等待該信號量的阻塞進程們)
信號量的定義
信號量的兩個原子操作
信號量的類型
- 互斥信號量：用於申請或釋放資源的使用權，初始值爲1。範圍： [ -(n-1), 1 ] 。
- 資源信號量：用於申請或歸還資源，表示某資源的可用數目。範圍： [ m-n, m]
n個進程共享臨界資源: -(n-1)≤s.count ≤1
★ 管程
管程是一個程序設計語言結構，採用了集中式的進程同步方法，提供了與信號量同樣的功能，但更易於控制。一個管程定義了一個數據結構和能爲併發進程所執行（在該數據結構上）的一組操作，這組操作能同步進程和改變管程中的數據。（C. A. R. Hoare & Per Brinch Hansen）
管程是由一個或多個過程、一個初始化序列和局部數據組成的軟件模塊。主要特點：
- 局部數據變量只能被管程的過程訪問，任何外部過程都不能訪問。
- 一個進程通過調用管程的一個過程進入管程。
- 在任何時候，只能有一個進程正在管程執行，調用管程的任何其它進程都被阻塞，以等待管程可用。
2.9 生產者/消費者問題
- 應先申請資源信號量，再申請互斥信號量，順序不能顛倒。
- 同一進程中的多對wait和signal語句可以嵌套，也可以交叉。
- 對於同一個信號量的wait與signal操作，既可以出現在同一個進程中，也可以出現在不同進程中。
- 對任何信號量的wait與signal操作必須配對。
- 在進入臨界區前必須先執行wait操作，退出臨界區後必須執行signal操作。對於同一信號量而言，既有可能先執行wait操作，也有可能先執行signal操作。
★ 1個生產者、2個消費者被連接到大小爲N的緩衝區上，2個消費者分別消費不同資源
- 盤子是一互斥資源，故設置互斥信號量mutex(1)
- 爸爸、兒子因爲桔子的放入與取出而同步，設置資源信號量orange(0)
- 爸爸、女兒因爲蘋果的放入與取出而同步，設置資源信號量apple(0)
- 爸爸、兒子、女兒因爲共享盤子，設置資源信號量empty(N)
★ 2個生產者、2個消費者被連接到大小爲1的緩衝區上，2個生產者分別生產不同的資源，2個消費者也分別消費不同的資源
- 盤子是一互斥資源，故設置互斥信號量plate(1)
- 爸爸、女兒因爲蘋果的放入與取出而同步，設置資源信號量apple(0)
- 媽媽、兒子因爲桔子的放入與取出而同步，設置資源信號量orange(0)
★ 2個生產者、1個消費者被連接到大小爲2的緩衝區上，2個生產者分別生產不同的資源，當兩種資源同時存在時消費者才能進行消費
- 盤子是一互斥資源，故設置互斥信號量mutex(1)
- 盤子中是否可以放入蘋果，設置信號量empty_apple(1)
- 盤子中是否可以取出蘋果，設置信號量apple(0)
- 盤子中是否可以放入桔子，設置信號量empty_orange(1)
- 盤子中是否可以取出桔子，設置信號量orange(0)
★ 1個生產者、2個消費者被連接到大小爲1的緩衝區上，每個數據被消費兩次才結束生命週期，消費者可以同時消費同一數據
- 爸爸是否欣賞過，設置資源信號量empty_dad(1)
- 爸爸是否可以欣賞，設置資源信號量full_dad(0)
- 媽媽是否欣賞過，設置資源信號量empty_mom(1)
- 媽媽是否可以欣賞，設置資源信號量full_mom(0)
2.10 讀者、寫者問題
允許多個讀者進程可以同時讀數據；
不允許多個寫者進程同時寫數據，即只能互斥寫數據；
若有寫者進程正在寫數據，則不允許讀者進程讀數據——互斥讀寫。
★ 讀者優先
一旦有讀者正在讀數據，則允許隨後的讀者進入讀數據。只有當全部讀者退出，才允許寫者進入寫數據。導致寫者飢餓
- wsem：互斥信號量，用於Writers互斥Writers和Readers，以及第一個Reader互斥Writers。(1)
- readcount：統計同時讀數據的Readers個數(int型/0)
- mutex：對變量readcount互斥算術操作(1)
★ 公平優先
讀者、寫者的執行順序與到達順序嚴格一致。
- wsem：互斥信號量，用於…
- readcount：統計同時讀數據的Readers個數(int型/0)
- mrc：對變量readcount互斥算術操作(1)
- wrsem：互斥信號量，確定Writer 、Reader請求順序(1)
★ 寫者優先
只要有一個寫者申請寫數據，則不再允許新的讀者進入讀數據。解決了寫者飢餓問題，但降低了併發程度，系統的併發性能較差。
- rsem：互斥信號量，當至少有一個寫者申請寫數據時互斥新的讀者進入讀數據(1)
- wsem：互斥信號量，用於…(1)
- readcount：統計同時讀數據的Readers個數(int/0)
- writecount：用於控制rsem信號量(int/0)
- mrc：對變量readcount互斥算術操作(1)
- mwc：對變量writecount互斥算術操作(1)
2.11 進程間的通信
進程通信：進程之間的信息交換
★ 共享存儲區
★ 消息傳遞
兩條通信原語：Send(destination,message)、Receive(source,message)
三種同步方式：
- 阻塞發送，阻塞接收；
- 不阻塞發送，阻塞接收；
- 不阻塞發送，不阻塞接收
郵箱：不不限制進程數，允許多個發送進程向郵箱發送消息，同時，也允許多個接收進程從郵箱接收消息
利用消息傳遞實現互斥
- 共享一個郵箱，初態僅包含一條空消息；
- 採用“不阻塞發送，阻塞接收”方式傳遞消息；
- 若郵箱中存在一條消息，則允許一個進程進入臨界區。
- 若郵箱爲空，表明有一個進程位於臨界區，其它試圖進入臨界區的進程必須阻塞。
- 只要保證郵箱中最多隻有一條消息，就能保證只允許一個進程進入臨界區，從而實現進程互斥使用臨界資源。
利用消息傳遞解決生產者/消費者問題
- 使用capacity條消息，其作用類似於緩衝區的大小；
- capacity條消息的初始狀態爲“空”消息，類似於緩衝區的初始狀態爲空（未填充生產數據）；
- 生產者生產一條數據後，取一條“空”消息，併發送回一條填充了數據的消息；
- 消費者消費一條數據後，取一條填充了數據的消息，併發送回一條“空”消息；
- 若生產者速度快於消費者消速度，則因無“空”消息可用而阻塞；
- 若消費者速度快於生產者消速度，則因無填充了數據的消息可用而阻塞。
2.12 進程死鎖
★ 死鎖的概念
多個進程因爲競爭資源或執行時推進的順序不當，或相互通信出現永久阻塞現象，如果沒有外力作用，這種現象將永遠保持下去。
★ 產生死鎖的原因
- 資源不足導致的資源競爭
- 併發執行的順序不當
★ 產生死鎖的充分必要條件
- 互斥、佔有且等待、非剝奪條件是死鎖產生的必要條件，但不是充分條件。
- 循環等待條件實際上是互斥、佔有且等待、非剝奪條件的可能導致的結果。
- 只要系統出現循環等待，則一定出現死鎖。
- 互斥、佔有且等待、非剝奪條件、循環等待條件構成了死鎖產生的充分必要條件。
★ 解決死鎖的方法
- 預防 ：添加限制條件，破壞產生死鎖的條件（四個必要條件中的一兩個）
- 避免 ：動態檢查，防止系統進入不安全狀態。銀行家算法
- 忽略 ：鴕鳥策略
- 檢測解除：允許死鎖，但(不)定期檢測死鎖並解除
死鎖檢測：（死鎖定理：）狀態S爲死鎖狀態的充要條件是：當且僅當S狀態的資源分配圖是不可完全簡化的。
死鎖解除：撤銷進程、資源剝奪、進程回退
★ 安全性算法
★ 銀行家算法
設計思想：當用戶申請一組資源時，系統必須做出判斷：如果把這些資源分出去，系統是否還處於安全狀態。若是，就可以分配這些資源；否則，暫時不分配，阻塞進程。
銀行家算法的使用：
（1）首先根據安全性算法判斷初始時刻系統是否處於安全狀態，如果是，則繼續往下進行。
（2）當某進程請求資源時，根據銀行家算法判斷是否對其分配資源。
（3）循環執行（2）。直到所有進程都順利完成。
★哲學家就餐問題
方案一：爲餐叉編號；就餐前，先取用編號較低的餐叉，再取用編號較高的餐叉；就餐畢，先放下編號較高的餐叉，再放下編號較低的餐叉。
方案二：爲哲學家編號；奇數號的哲學家必須首先拿左邊的餐叉；偶數號的哲學家必須首先拿右邊的餐叉。
方案三：引入一個餐廳服務生，哲學家必須經過他的允許才能拿起餐叉；最多允許4個哲學家同時進食。
方案四：僅當哲學家的左右手筷子都拿起時才允許進餐。多個臨界資源，要麼全部分配，要麼一個都不分配。