操作系統（三）| 進程管理下經典進程問題分析線程死鎖

文章目錄

6.經典進程同步問題
- 6.1 生產者-消費者問題 (既有同步又有互斥)
- 6.2 讀者-寫者問題
- 6.3 哲學家進餐問題
- 6.4理發師問題
7. 進程之間通信
- 7.1 共享存儲區
- 7.2 消息傳遞
- 7.3 管道
8.線程
- 8.1 線程的實現機制
9 進程調度
- 9.1 調度方式
- 9.2 常見算法
- - 先來先服務 FCFS
  - 短進程優先 SPN
  - 最高相應比優先算法
  - 時間片輪轉 RR
  - 基于優先級的調度
  - 多級反饋隊列
10 死鎖
- 10.1 基本概念
- - 資源分類
- 10.2 如何處理死鎖
- - 10.2.1 死鎖檢測
  - 10.2.2 何時檢測

6.經典進程同步問題

6.1 生產者-消費者問題 (既有同步又有互斥)

生產者往緩沖區寫數據，滿了的話就不能寫了

消費者從緩沖區取數據，空的話就不能取了

一次只能有一個生產者或消費者取讀數據

總結要求

（1）不能向滿的緩存區寫數據

（2）不能向空的緩存區取數據

（3）任何時刻，僅允許一個1個生成者或1個消費者訪問

? 意味著消費者之間互斥，生成者之間互斥，消費者和生產者之間互斥

full：記錄緩沖區中非空的槽數，初始值=0

empty：記錄緩沖區中空的槽數，初始值=N

mutex：確保進程不同時訪問緩沖區，初始值=1

解決（1）（2）

void producer(void){while (True) {produce(); //生產1項P(empty); //申請1個空槽P(mutex); //請求進入臨界區append(); //加入緩沖區V(mutex); //離開臨界區V(full); //遞增非空槽}
}void consumer(void){while (TRUE) {P(full); //申請1個非空槽P(mutex); //申請進入臨界區remove(); //從緩沖區移出1項V(mutex); //離開臨界區V(empty); //遞增空槽數consume(); //消費數據}
}

解決死鎖問題

6.2 讀者-寫者問題

多個Reader進程，多個Writer進程，共享文件F
要求：
允許多個Reader進程同時讀文件
不允許任何一個Writer進程與其他進程同時訪問（讀或寫）文件

我的方案

read_count=N 初始值N，空額的值

write_count=0

void reader(void){while (True) {P(read_count)if(writer==0)read();//讀操作V(read_count)P(write_count)read();V(write_count)}
}void writer(void){while (True) {P(write_count)write();V(write_count)}
}

標答

write

WriteMutex = 0 讀寫操作的互斥訪問
Rcoun = 0 正在讀操作的讀者數目
CountMutex = 0 讀者計數的互斥訪問

void reader(void){while (True) {P(CountMutex);if (Rcount == 0)P(WriteMutex);++Rcount;V(CountMutex);read;P(CountMutex);--Rcount;if (Rcount == 0)V(WriteMutex);V(CountMutex);}
}void writer(void){while (True) {P(WriteMutex);write;V(WriteMutex);}
}

6.3 哲學家進餐問題

6.4理發師問題

注意對于共享變量，一定要加PV臨界操作

7. 進程之間通信

P,V操作實現的是進程之間的低級通信，所以P,V操作是低級通訊原語，即不能傳遞大量的信息

所以我們引入進程間高級通訊方式

7.1 共享存儲區

相互通信的進程間設有公共的內存區，每個進程既可向該公共內存中寫，也可從公共內存中讀，通過這種方式實現進程間的信息交換。
把同一個物理內存區域同時映射到多個進程的內存地址空間的通信機制

7.2 消息傳遞

源進程發送消息，目的進程接受消息。所謂消息，就是一組數據。

（1）消息隊列（message Queue）或消息緩沖
發送者發消息到一個消息隊列中；
接收者從相應的消息隊列中取消息。
消息隊列所占的空間從系統的公用緩沖區中申請得到。
（2）郵箱（mailbox）
發送者發消息到郵箱，接收者從郵箱取消息。
郵箱是一種中間實體，一般用于非實時通信。

7.3 管道

首創于Unix。用于連接一個讀進程、一個寫進程，以實現它們之間通信的共享文件，稱為pipe文件。

管道分為下列2種：
有名管道
無名管道

8.線程

為什么引入線程

線程是進程的１條執行路徑。

1個進程可以有多個線程，其中至少有1個主線程（primary thread）。

1個進程內的多個線程在同一個地址空間內（共享該進程的地址空間）。

每個線程有自己的線程控制塊TCB（Thread Control Block），包含自己的堆棧和狀態信息。TCB比PCB小得多。

8.1 線程的實現機制

用戶級線程

? 由在用戶空間執行的線程庫來實現，OS對此一無所知。　
線程庫提供線程創建、撤消、上下文切換、通信、調度等功能。

? 用戶級線程是自己實現的線程創建，刪除

? 但是這樣的話操作系統分配的是進程為單位的，容易阻塞

? 但是性能高，無需陷入內核

核心級線程

? 用戶級線程是自己實現的線程創建，刪除

? 但是這樣的話操作系統分配的是線程為單位的

? 但是性能低，需要陷入內核

進程和線程是操作系統中用于實現并發執行的兩個基本概念，它們之間有許多重要區別，包括以下幾點：

定義：
- 進程（Process）是一個獨立的執行單元，擁有獨立的內存空間和系統資源，它代表了一個正在運行的程序的實例。每個進程都有自己的地址空間，堆棧和數據段，相互之間不共享這些資源。
- 線程（Thread）是進程內的一個輕量級執行單元，線程共享進程的地址空間和系統資源，包括堆棧和文件描述符。多個線程可以在同一進程中并發執行，它們之間共享相同的內存空間。
創建和銷毀開銷：
- 進程的創建和銷毀通常比較耗費系統資源，因為每個進程都有獨立的內存空間，需要進行全新的資源分配和銷毀。
- 線程的創建和銷毀相對較輕量，因為它們共享進程的資源。創建一個線程通常比創建一個新進程要快速和經濟。
通信：
- 進程之間通信通常需要使用進程間通信（Inter-Process Communication，IPC）機制，例如管道、消息隊列、共享內存等，來傳遞數據和信息。
- 線程之間通信可以更容易地實現，因為它們共享相同的內存空間。線程可以通過共享變量等方式直接進行通信。
并發性和并行性：
- 進程通常具有更高的并發性，因為不同進程之間相互獨立，可以在不同的處理器上并行執行。多進程可以更好地利用多核處理器。
- 線程在同一進程內并發執行，它們共享進程的資源，因此在多核處理器上并行執行的程度有限。但線程之間的切換比進程切換更快，因為不涉及進程資源的切換。
安全性：
- 由于線程共享進程的內存空間，因此多個線程之間的錯誤可能更容易導致進程崩潰或數據損壞。
- 進程之間的安全性更高，因為它們擁有獨立的內存空間，一個進程的錯誤通常不會影響其他進程。
編程模型：
- 多進程編程相對較復雜，因為需要處理進程間通信和同步問題。
- 多線程編程相對較簡單，因為線程之間共享數據，但需要小心處理共享資源的同步問題。