进程管理

程序与进程

定义
进程由程序、数据、进程控制块(PCB)组成，进程是资源分配和独立运动的基本单位。
特征
动态性、并发性、共享性、独立性、结构性、制约性
进程与程序的区别
1. 进程是动态的，程序是静态的。进程是程序在数据集上的一次执行
2. 进程具有并发性，程序没有
3. 进程是资源分配的基本单位，程序不是
4. 进程与程序不是一一对应，一个进程通常对应一个程序，而一个程序可以对应零个或多个进程

三态模型：运行态、就绪态、阻塞态

flowchart TB a((运行态)) b((就绪态)) c((阻塞态)) a-- 时间片到 -->b b-- 被调度 -->a a-- 等待事件 -->c c-- 等待事件发生 -->b
五态模型：运行态、就绪态、阻塞态、新建态和终止态

flowchart LR a((新建态)) b((就绪态)) c((阻塞态)) d((运行态)) e((终止态)) a --> b b-- 被调度 -->d d-- 时间片到 -->b d-- 等待事件 -->c c-- 等待事件发生 -->b d --> e

多个并发进程存在资源共享和相互合作，因此进程之间需要进行通信

同步和互斥
- 同步式合作进程间的直接制约问题
- 互斥是申请临界资源进程间的间接制约问题
- 进程的同步：系统中需要相互合作、协同工作的进程之间的通信
- 进程的互斥：系统中多个进程因争夺临界资源而互斥执行，每次只能给一个进程使用的资源称为临界资源
信号量机制
信号量机制是一种有效的进程同步和互斥的工具
1. 公用信号量：互斥信号量，对临界资源采用互斥访问，初始值为1或资源的个数
2. 私有信号量：同步信号量，对共享资源访问控制，初始值为0或某个正整数
  信号量 S 的物理意义：若 S >= 0,表示可用的资源数，若 S <= 0,其绝对值表示阻塞队列中等待该资源的进程数
- PV 操作：均为原子操作，是实现同步和互斥的常用方法
- P 操作：表示申请一个资源，即 S=S-1，若 S>=0, 则执行 P 操作的进程继续执行，若 S <= 0, 则执行 P 操作的进程进入阻塞状态
- V 操作：表示释放一个资源，即 S=S+1，若 S>=0, 则执行 V 操作的进程继续执行, 若 S<=0, 则唤醒一个进程，并将其插入就绪队列，然后执行 V 操作的进程继续执行

PV操作实现进程互斥
令信号量 S 初始值为1，当进入临界区时执行 P 操作，对出临界区时执行 V 操作。
PV操作实现进程同步
设置3个信号量 S(互斥信号量，初始值为1)、S1(是否将产品放入缓冲区，初始值为n，缓冲区的容量)、S2(缓存区是否有产品，初始值为0)

进程调度方式：当有更高优先级的进程到来时，如何分配 CPU

可剥夺：强行将正在运行进程的CPU分配给高优先级的进程
不可剥夺：必须等待正在运行的进程释放占用的CPU，然后将CPU分配给高优先级的进程
三级调度：一个作业从提交到完成经历高、中、低三级调度
1. 高级调度：作业调度，决定哪个后备作业可以调入主系统做好运行的准备
2. 中级调度：对换调度，决定交换区中的哪个就绪进程可以调入内存
3. 低级调度：进程调度，决定内存中的哪个就绪进程可以占用CPU，低级调度是操作系统中最活跃、最重要的调度程序
调度算法
1. 先来先服务(FCFS)：按先后次序分配CPU，有利于长作业，不利于短作业，有利于CPU繁忙型作业，不利于I/O繁忙型作业
2. 时间片轮转：分配给每个进程时间片，轮流占用CPU，通过时间片轮转提高进程并发性和响应时间特性，从而提高资源利用率
3. 优先级调度：系统选择优先级大的进程占用CPU
4. 多级反馈调度：时间片轮转和优先级调度结合

两个以上的进程因相互争夺对方占用的资源而陷入无限等待的现象

死锁产生的4个必要条件
1. 互斥(资源互斥)
2. 请求保持(进程占有资源并等待其他资源)
3. 不可剥夺(系统不能剥夺进程资源)
4. 环路(进程资源图是一个环路)
死锁的处理策略
1. 死锁预防：采用某种策略限制并发进程对资源的请求，破坏死锁产生的4个必要条件，使系统在任何时刻都不满足产生死锁的必要条件
2. 死锁避免：提前计算出一条不会产生死锁的资源分配方法，著名的死锁避免算法有银行家算法
3. 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个死锁检测程序，判断系统是否发生死锁，若检测到死锁，则设法加以解除
4. 死锁解除：死锁发生后的解除方法，如资源剥夺法，撤销进程法等
死锁资源计算：系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么发生死锁的最大资源数为 n*(R-1) ,不发生死锁的最小资源数为 n*(R-1)+1