Modern Operating Systems(Ⅰ)——2014.12.15

进程

　　   进程模型

　　     　进程就是一个正在执行的程序的实例

　　　　　 值得注意的是，若一个程序运行了两遍，则算作两个进程

　　　　　创建进程

　　　　　在通用系统中，有四种主要事件导致进程的创建

　　　　　　①系统的初始化

　　　　　　②执行了 正在运行的进程 所调用的 进城创建系统调用

　　　　　　③用户请求创建一个新进程

　　　　　　④一个批处理作业的初始化

　　　　  进程的状态

　　　　运行态（该时刻进程实际占用CPU）

　　　　　　就绪态（可运行，但因为其他进程正在运行而暂时停止）

　　　　　　阻塞态（除非某种外部事件发生，否则进程不能运行）

　　　　　　在Operating Systems Concept中还提到了new,terminated两种状态

　　　　 ※进程的实现（PCB）

　　　　　　

PCB（进程控制块）
Process state	running，waiting
Program counter	指示该进程将要执行的下一条指令的地址
CPU registers	累加器（accumulators）、索引寄存器（index registers）、栈指针（stack pointers）、通用寄存器（general-purpose registers）等等
CPU scheduling information	进程优先级（priority）、调度队列指针及其他调度参数
Memory-management information	base and limit registers的值, 页表或段表（page tables, or segment）
Accounting information	CPU used, clock time elapsed since start, time limits
I/O status information	the list of I/O devices allocated to this process, a list of open files, and so on

线程

　　　　　线程的使用

　　　　　为什么在进程之下使用线程？

　　　　　 因为有了进程的抽象概念 我们得以不必考虑中断 定时器 上下文切换  类似的 正因为有了线程的抽象概念 我们得以加入了一个新的元素 并行实体共享同一个地址空间和所有可用数据的能力 而这是多进程模型（它们具有不同地址空间）所无法表达的

　　　　　经典的线程模型

　　　　　   理解进程的一个角度是 用某种方法把相关的资源集中在一起 那么 线程就是在CPU上被调度执行的实体

　　　　　　 多个线程共享一个地址空间和其他资源 而 多个进程共享物理内存 磁盘 打印机 和其他资源

　　　　　　一个线程可以读 写 甚至清除另一个线程的堆栈 线程之间是没有保护的    之所以这样是因为不可能 没必要

　　　　　　每个线程自己的内容：程序计数器   寄存器   堆栈   状态（跟进程相同）

　　　　　　在用户空间中实现线程

　　　　　　 把整个线程包放在用户空间中  内核对线程包一无所知（从内核的角度看，就是按正常的方式管理，即单线程进程）

　　　　　  每个进程有其专用的线程表 记录线程的属性（程序计数器 堆栈指针 寄存器 状态）

　　　　　  优点：调度快捷 效率高（都是本地过程） 不需要陷阱 不需要上下文切换 不需要对内存高速缓存进行刷新

　　　　　　　　　每个进程有自己的调度算法

　　　　　  缺点：如何实现阻塞系统调用

　　　　　　　　　如果一个线程开始运行 那么该进程中的其他线程就不能运行 （在用户空间实现线程时）

　　　　　在内核中实现线程

　　　　　　内核中有用来记录系统中所有线程的线程表

进程间通信

　　　　　竞争条件

　　　　　　两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序

　　　　　临界区

　　　　　   正确高效的避免竞争条件需要满足：

　　　　　　任何两个进程不能同时处于其临界区

　　　　　　不应对CPU的速度和数量做任何的假设

　　　　　　临界区外运行的进程不得阻塞其他进程

　　　　　　不得使进程无限期等待进入临界区

　　　　　忙等待的互斥

　　　　　　互斥：以某种手段保证当一个进程在使用一个共享变量或文件时，其他进程不能做同样的操作

　　　　　　屏蔽中断

　　　　　　每个进程在刚刚进入临界区以后立即屏蔽所有中断，并在就要离开前再打开中断

　　　　　　锁变量

　　　　　　设想有一个锁变量，初始值为0。当一个进程想进入临界区，首先测试这把锁，若值为0，进入，并把值设为1；若为1，则该进程将等待其变为0

　　　　　　缺陷：假设一个进程读出锁变量的值并发现它为0，而恰好在它将其值设置为1之前，另一个程序被调度运行（因为CPU严格按照时钟中断执行顺序进程），将其锁变量置为1，当另一个进程再次运行时同样将锁变量置为1，但此时有两个进程进入临界区之内

　　　　　　严格轮换法

 while(TRUE){
   while(turn != )
   critical_region();
   turn = ;
   noncriti_region();
 }

 while(TRUE){
    while(turn != )
    critical_region();
    turn = ;
    noncriti_region();
  }　　

　　　　　　turn初始值为0，用于记录轮到哪个进程进入临界区，并检查或更新共享内存。

　　　　　　开始时，进程0检查turn，为0，进入临界区，进程1也发现为0，但进程1的进入条件是turn = 1，于是在一个等待循环中不停地测试

　　　　　　缺陷：试想这样一个情况，进程0离开临界区时，将turn值设为1，以便进程1进入，进程1离开后，将turn设置为0；此时两个进程都处于临界区之外，turn值又被设置为0.现在进程0完成了整个循环，它退出临界区，将turn值设置为1。此时turn值为1，两个进程都在临界区之外进行；突然，进程0完成了非临界区的操作并返回到循环开始，但是这时它并不能进入临界区，进程0只能只能继续while循环，直到进程1把turn的值改为0，可见，在一个进程比另一个进程慢了很多的情况下，轮流进入临界区并不是一个好方法

　　　　　　Peterson解法

　　　　睡眠与唤醒

　　　　　　生产者-消费者问题

　　　　信号量

　　　  管程

　　　　　　管程是一个由过程、变量以及数据结构等组成的集合，是一个特殊的模块或者软件包。

　　　　　　管程有一个很重要的特性，即任意时刻管程中只能有一个活跃进程，典型的处理方法是：当一个进程调用管程时，该过程前几条指令将检查在管程中是否有其他的活跃进程，如果有，该进程挂起，直到另一个进程离开管程将其唤醒。

　　　　　　管程也提供了实现互斥的途径：条件变量以及两个相关的操作，wait(),signal()  当一个管程过程发现它无法继续运行时（例如，生产者发现缓存区满），它会在某个条件变量上（如full）执行wait操作。该操作导致调用进程自身阻塞，并且还将另一个之前等在管程之外的进程调入管程。而另一个进程，可以通过对其伙伴正在等待的一个条件变量执行signal从而唤醒伙伴进程

　　　　　　wait,signal与sleep,wake的区别在于，后者不存在严重的竞争条件

调度

　　　　何时调度？

　　　　　　创建一个新的进程后

　　　　　　在一个进程退出时

　　　　　　当一个进程阻塞在I/O和信号量上或由于其他原因阻塞时

　　　　　　一个I/O发生中断

　　　　调度算法

　　　　哲学家进餐问题

　　　　读者-写者问题