❤️过万字详细《操作系统-进程管理》❤️⭐建议收藏⭐

程序：一个指令序列
程序的执行方式
1. 顺序执行（单道批处理系统的执行方式，也用于简单的单片机系统）
  1. 顺序性
  2. 封闭性：独占全部资源
  3. 可再现性：初始条件相同则结果相同
2. 并发执行（提高资源利用率）
  1. 并行执行的条件：达到封闭性和可再现性
实现资源共享的方法
1. 由操作系统统一管理和分配。
2. 由进程自行使用
进程实体（进程/进程映像）的构成：PCB、程序段、数据段
1. PCB：系统为每个运行的程序配置一个数据结构，用来描述进程的各种信息。操作通过PCB来管理进程
  1. 进程描述信息：
    1. 进程标识符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ID，用于区分不同的进程
    2. 用户标识符UID：
  2. 进程控制和管理信息：
    1. 进程当前状态：
    2. 进程优先级：
  3. 资源分配清单：
    1. 程序段指针：
    2. 数据段指针：
    3. 键盘：
    4. 鼠标：
  4. 处理机相关信息：
    1. 各种寄存器值：当进程切换时需要把进程当前的运行情况记录下来保存在PCB中，如程序计数器的值表示了当前程序执行到哪一句
2. 程序段：程序代码存放在程序段里面
3. 数据段：程序运行时使用、产生的运算数据。如全局变量、局部变量、宏观定义的变量
4. 创建进程：实质上是创建进程实体中的PCB
5. PCB是进程存在的唯一标志
进程的定义（动态性）
1. 进程是程序的一次执行过程。
2. 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
4. 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。
进程的组织方式（多个进程之间的组织方式）
1. 链接方式：
  1. 按照进程状态将PCB分为多个队列
  2. 操作系统特有指向各个队列的指针
2. 索引方式：
  1. 根据进程状态的不同，建立几张索引表
  2. 操作系统特有指向各个索引表的指针
进程的特征
1. 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
2. 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
3. 独立性：进程是能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位，各进程的地址空间相互独立
4. 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供"进程同步机制"来解决异步问题
5. 结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成
进程和程序的区别
1. 进程是动态的，程序是静态的（进程不可以在计算机之间迁移）
2. 进程是短暂的，程序是永久的
3. 进程和程序的组成不同
4. 一个程序可以对应多个进程，一个进程也可以包括多个程序

2.1.2 进程的状态与转换

状态：
1. 运行状态：占CPU，并在CPU上运行
2. 就绪状态：已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
3. 阻塞状态（等待态）：因等待某一事件而暂时不能运行
4. 创建状态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源、初始化PCB
5. 终止状态：进程正在从系统撤销，操作系统会回收进程拥有的资源、撤销PCB
进程状态间的转换：
1. 就绪态 -- > 运行态：进程被调度
2. 运行态 -- > 就绪态：时间片到、或处理机被强占
3. 运行态 -- > 阻塞态：进程用“系统调用”的方式申请某种系统资源，或者请求等待某个事件发生（进程自身的主动行为）
4. 阻塞态 -- > 就绪态：申请的资源被分配，或者等待的事件发生（不是进程自身能控制的，是一种被动行为）

2.1.3 进程控制

基本概念
1. 什么是进程控制？
  1. 进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。
  2. 实现进程状态切换
2. 如何实现进程控制？
  1. 用原语实现进程控制。
  2. 原语的特点：执行期间不允许中断
  3. 原子操作：不可被中断的操作
  4. 原语采用：“关中断指令”和“开中断指令”实现
进程控制相关的原语
1. 进程的创建：
2. 进程的终止：
3. 进程的阻塞：
4. 进程的唤醒：由何事阻塞，就应由何事唤醒。阻塞原语和唤醒原语必须成对使用。
5. 进程的切换：
原语控制进程状态的流程：
1. 更新PCB中的信息（如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境)
  1. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
  2. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
  3. 某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
2. 将PCB插入合适的队列
3. 分配/回收资源

2.1.4 进程通信

进程通信的概念：进程之间的信息交换。
1. 为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程地址空间
2. 进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间)，因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。
共享存储：（两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，）
1. 基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式
2. 基于存储区的共享：在内存中画出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由进程控制，而不是操作系统。相比之下，这种共享方式速度更快，是一种高级通信方式。
消息传递：（进程间的数据交换以格式化的消息(Message）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。）
1. 直接通信方式：消息直接挂到接收进程的消息缓冲队列上
2. 间接通信方式：消息要先发送到中间实体（信箱）中，因此也称“信箱通信方式”。Eg:计网中的电子邮件系统
管道通信：
1. 管道只能采用半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道。
2. 各个进程要互斥的访问管道。
3. 数据以字符流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将被阻塞。
4. 如果没写满，就不允许读。如果没读空，就不允许写。
5. 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，这就意味着读进程最多只能有一个，否则可能会有读错数据的情况。

2.1.5 线程概念与多线程模型

什么是线程，为什么要引入线程?
1. 还没引入进程之前，系统中各个程序只能串行执行。
2. 有的进程可能需要“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，引入了“线程”，来增加并发度。
3. 引入线程后，线程成为了程序执行流的最小单位
4. 可以把线程理解为“轻量级进程”。线程是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。
5. 引入线程之后，不仅是进程之间可以并发，进程内的各线程之间也可以并发，从而进一步提升了系统的并发度，使得一个进程内也可以并发处理各种任务（如QQ视频、文字聊天、传文件)
6. 引入线程后，进程只作为除CPU之外的系统资源的分配单元（如打印机、内存地址空间等都是分配给进程的）。
引入线程机制后，有什么变化?
线程有哪些重要的属性
1. 线程是处理机调度的单位
2. 多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU
3. 每个线程都有一个线程ID、线程控制块（TCB)
4. 线程也有就绪、阻塞、运行三种基本状态
5. 线程几乎不拥有系统资源
6. 同一进程的不同线程间共享进程的资源
7. 由于共享内存地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预
8. 同一进程中的线程切换，不会引起进程切换
9. 不同进程中的线程切换，会引起进程切换
10. 切换同进程内的线程，系统开销很小
11. 切换进程，系统开销较大
线程的实现方式
1. 用户级线程：
  1. 用户级线程由应用程序通过线程库实现。
  2. 用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需操作系统干预。
  3. 在用户看来，是有多个线程。但是在操作系统内核看来，并意识不到线程的存在。用户级线程对用户不透明，对操作系统透明
2. 内核级线程：
  1. 内核级线程的管理工作由操作系统内核完成。线程调度、切换等工作都由内核负责，因此内核级线程的切换必然需要在核心态下才能完成。
  2. 操作系统只“看得见”内核级线程，因此只有内核级线程才是处理机分配的单位。
多线程模型：用户n >= 核心m
1. 多对一模型：
  1. 多对一模型:多个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程只对应一个内核级线程。
  2. 优点:用户级线程的切换在用户空间即可完成，不需要切换到核心态，线程管理的系统开销小，效率高
  3. 缺点:当一个用户级线程被阻塞后，整个进程都会被阻塞，并发度不高。多个线程不可在多核处理机上并行运行
2. 一对一模型：
  1. 一对一模型:一个用户及线程映射到一个内核级线程。每个用户进程有与用户级线程同数量的内核级线程。
  2. 优点:当一个线程被阻塞后，别的线程还可以继续执行，并发能力强。多线程可在多核处理机上并行执行。
  3. 缺点:一个用户进程会占用多个内核级线程，线程切换由操作系统内核完成，需要切换到核心态，因此线程管理的成本高，开销大。
3. 多对多模型：
  1. 多对多模型: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。
  2. 克服了多对一模型并发度不高的缺点，又克服了一对一模型中一个用户进程占用太多内核级线程，开销太大的缺点。

2.2 调度

2.2.1 处理机调度概念

当有一堆任务要处理，但由于资源有限，这些事情没法同时处理。这就需要确定某种规则来决定处理这些任务的顺序，这就是“调度”研究的问题。
处理机调度，就是从就绪队列中按照一定的算法选择一个进程并将处理机分配给它运行，以实现进程的并发执行。
三个层次：
1. 高级调度(作业调度)
  1. 按一定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给他们分配内存等必娈资源，并建立相应的进程（建立PCB），以使它（们)获得竞争处理机的权利。
  2. 高级调度是辅存（外存）与内存之间的调度。每个作业只调入一次，调出一次。作业调入时会建立相应的PCB，作业调出时才撤销PCB。高级调度主要是指调入的问题，因为只有调入的时机需要操作系统来确定，但调出的时机必然是作业运行结束才调出。
2. 中级调度(内存调度)
  1. 引入了虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待。等它重新具备了运行条件且内存又稍有空闲时，再重新调入内存。
  2. 这么做的目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
  3. 暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态。值得注意的是，PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB中会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，操作系统通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到的挂起队列中。
  4. 要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存。
  5. 一个进程可能会被多次调出、调入内存，因此中级调度发生的频率要比高级调度更高。
3. 低级调度（进程调度)
  1. 主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它。
  2. 进程调度是操作系统中最基本的一种调度，在一般的操作系统中都必须配置进程调度。
4. 三层调度的联系和对比

2.2.2 进程调度的时机切换与过程调度方式

时机：
1. 什么时候需要进程调度?
  1. 当前运行的进程主动放弃处理机
    1. 进程正常终止
    2. 运行过程中发生异常而终止
    3. 进程主动请求阻塞（如等待l/o)
  2. 当前运行的进程被动放弃处理机
    1. 分给进程的时间片用完
    2. 有更紧急的事需要处理（如I/O中断)
    3. 有更高优先级的进程进入就绪队列
2. 什么时候不能进行进程调度?
  1. 在处理中断的过程中。中断处理过程复杂，与硬件密切相关，很难做到在中断处理过程中进行进程切换。
  2. 进程在操作系统内核程序临界区中。
  3. 在原子操作过程中（原语）。原子操作不可中断，要一气呵成（如之前讲过的修改PCB中进程状态标志，并把PCB放到相应队列)
  4. 进程在操作系统内核程序临界区中不能进行调度与切换
切换与过程：
1. “狭义的调度"与“切换"的区别
2. 进程切换的过程需要做什么?
方式：
1. 非剥夺调度方式(非抢占式)
2. 剥夺调度方式(抢占式)

2.3 进程互斥

2.3.1 进程同步进程互斥

进程间的制约关系：
1. 间接制约：处于并发状态的多个进程由于要共享某个独享型资源而产生的执行速度的制约。
2. 直接制约：处于并发状态的多个进程要完成同一个任务，由于各个进程之间的协同合作而产生的制约。
产生制约的原因：
1. 资源共享
2. 进程合作
什么是进程同步
1. 同步亦称直接制约关系，它是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。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。
什么是进程互斥
1. 进程互斥：当一个进程正在使用临界资源且尚未使用完毕时，则其他进程必须推迟对该资源的进一步操作，在当前进程的使用完成之前，不能从中插进去使用这个临界资源。
2. 定义:不允许两个以上的共享该资源的并发进程同时进入临界区
3. 我们把一个时间段内只允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备（比如摄像头、打印机）都属于临界资源。此外还有许多变量、数据、内存缓冲区等都属于临界资源
4. 对临界资源的访问，必须互斥地进行。互斥，亦称间接制约关系。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，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。
5. 临界区：访问临界资源的程序段或不允许多个并发进程交叉执行的一段程序。
6. 临界区设计原则：
  1. 每次至多允许一个进程位于临界区；
  2. 若有多个进程要求进入临界区，应在有限时间内选择一个进入。
  3. 进程在临界区内只能停留一定的时间。
对临界资源的互斥访问：
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（可理解为“上锁”)，以阻止其他进程同时进入临界区
2. 临界区：访问邻接资源的那段代码（临界区是进程中访问资源的代码段）
3. 退出区：负责解除正在访问邻接资源的标志（进入区和退出区是负责实现互斥的代码段）
4. 剩余区：做其他处理
如果一个进程暂时不能进入临界区，那么该进程是否应该一直占着处理机?该进程有没有可能一直进不了临界区?
为了实现对临界资源的互斥访问，同时保证系统整体性能，需要遵循以下原则:
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

2.3.2 进程互斥的软件实现方法

单标志法
1. 算法思想：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。也就是说每个进程进入临界区的权限只能被另一个进程赋予
3. turn的初值为0，即刚开始只允许0号进程进入临界区。若P1先上处理机运行，则会一直卡在⑤。直到P1的时间片用完，发生调度，切换 PO上处理机运行。代码①不会卡住PO，PO可以正常访问临界区，在PO访问临界区期间即时切换回P1，P1依然会卡在⑤。只有P0在退出区将turn改为1后，P1才能进入临界区。因此，该算法可以实现“同一时刻最多只允许一个进程访问临界区”
4. turn表示当前允许进入临界区的进程号，而只有当前允许进入临界区的进程在访问了临界区之后，才会修改turn 的值。也就是说，对于临界区的访问，一定是按PO→P1→PO→P1...这样轮流访问。
5. 这种必须“轮流访问”带来的问题是，如果此时允许进入临界区的进程是PO，而PO一直不访问临界区，那么虽然此时临界区空闲，但是并不允许P1访问。
6. 因此，单标志法存在的主要问题是:违背“空闲让进”原则。
双标志先检查
1. 算法思想: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，比如“flag[0] = ture”意味着0号进程P0现在想要进入临界区。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，之后开始访问临界区。
3. 若按照①⑤②⑥③⑦...的顺序执行，P0和P1将会同时访问临界区。
4. 因此，双标志先检查法的主要问题是：违反“忙则等待”原则。
5. 原因在于，进入区的“检查”和“上锁”两个处理不是一气呵成的。“检查”后，“上锁”前可能发生进程切换。
双标志后检查
1. 算法思想:双标志先检查法的改版。前一个算法的问题是先“检查”后“上锁”，但是这两个操作又无法一气呵成，因此导致了两个进程同时进入临界区的问题。因此，人们又想到先“上锁”后“检查”的方法，来避免上述问题。
3. 若按照①⑤②⑥....的顺序执行，PO和P1将都无法进入临界区
4. 因此，双标志后检查法虽然解决了“忙则等待”的问题，但是又违背了“空闲让进”和“有限等待”原则，会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象。
5. 原则，会因各进程都长期无法访问临界资源而产生“饥饿”现象。
Peterson算法
1. 算法思想:双标志后检查法中，两个进程都争着想进入临界区，但是谁也不让谁，最后谁都无法进入临界区。Gary L. Peterson想到了一种方法，如果双方都争着想进入临界区，那可以让进程尝试“孔融让梨”，主动让对方先使用临界区。
3. Peterson算法用软件方法解决了进程互斥问题，遵循了空闲让进、忙则等待、有限等待三个原则，但是依然未遵循让权等待的原则。

2.3.3 进程互斥的硬件实现方法

中断屏蔽方法
1. 利用“开/关中断指令”实现（与原语的实现思想相同，即在某进程开始访问临界区到结束访问为止都不允许被中断，也就不能发生进程切换，因此也不可能发生两个同时访问临界区的情况)
2. 优点:简单、高效
3. 缺点:不适用于多处理机;只适用于操作系统内核进程，不适用于用户进程（因为开/关中断指令只能运行在内核态，这组指令如果能让用户随意使用会很危险)
TestAndSet (TS指令/TSL指令)
1. 简称TS指令，也有地方称为TestAndSetLock指令，或TSL指令
2. TSL指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。
3. 相比软件实现方法，TSL指令把“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。优点:实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞;适用于多处理机环境
4. 优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞;适用于多处理机环境
5. 缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。
Swap指令(XCHG指令)
1. 有的地方也叫 Exchange指令，或简称XCHG指令。
2. Swap指令是用硬件实现的，执行的过程不允许被中断，只能一气呵成。
3. 优点：实现简单，无需像软件实现方法那样严格检查是否会有逻辑漏洞;适用于多处理机环境
4. 缺点：不满足“让权等待”原则，暂时无法进入临界区的进程会占用CPU并循环执行TSL指令，从而导致“忙等”。

2.3.4 信号量机制

用户进程可以通过使用操作系统提供的一对原语来对信号量进行操作，从而很方便的实现了进程互斥、进程同步。
信号量其实就是一个变量（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，比如:系统中只有一台打印机，就可以设置一个初值为1的信号量。

信号量代表某类可用资源实体的数量。

整形信号量：
1. 用一个整数型的变量作为信号量，用来表示系统中某种资源的数量。
记录性信号量：
信号量与P、V原语：
1. 公用信号量：初值为1，用于进程互斥，值域为1~－（n－1），n为需互斥的进程的个数；
2. 私用信号量：初值为0或正整数n，用于进程同步，值域范围较公用信号量宽。
3. P原语的执行过程（申请资源）
  1. 每执行一次P（S）原语操作，信号量S的值减1，然后由OS判定S的值。
  2. 若S≥0则进程继续执行，进入临界区；
  3. 若S<0则阻塞该进程，把它插入该信号量的进程等待队列末尾。
4. V原语的执行过程（释放资源）
  1. 每执行一次V（S）原语操作，信号量S的值加1，然后由OS判定。
  2. 若S>0则进程继续执行；
  3. 若S≤0则从该信号量等待队列的队首移出一个进程，把它插入进程就绪队列末尾，等待处理机调度。
P、V原语的物理意义
1. S>0时的数值表示系统中某类可用资源的数量。执行一次P原语意味着进程请求分配一个资源；
2. S<0时表示该类资源已分配完，因此请求资源的进程被阻塞到等待队列中，此时| S |等于该信号量等待队列中处于阻塞状态的进程的数目。
3. 执行一次V原语意味着某个进程释放了一个资源。若S≤0表示该资源所对应信号量的等待队列中有因请求该资源而被阻塞的进程，因此需唤醒该等待队列中的第一个进程，把它插入就绪队列末尾。

2.3.5 用信号量实现进程互斥、同步、前驱关系

利用信号量实现互斥
1. 为临界资源设置一个互斥信号量mutex(MUTual Exclusion)，其初值为1；在每个进程中将临界区代码置于P(mutex)和V(mutex)原语之间
2. 必须成对使用P和V原语：遗漏P原语则不能保证互斥访问，遗漏V原语则不能在使用临界资源之后将其释放（给其他等待的进程）；P、V原语不能次序错误、重复或遗漏
实现进程互斥
1. 过程
  1. 分析并发进程的关键活动，划定临界区（如：对临界资源打印机的访问就应放在临界区)
  2. 设置互斥信号量mutex，初值为1（表示系统中某种资源的数量）
  3. 在临界区之前执行P（mutex）
  4. 在临界区之后执行V（mutex）
3. 具体分析P1和P2两个进程是如何互斥访问临界区代码的
  1. 首先定义一个信号量，初值为1代表临界区资源实体的数量为1
  2. 假如P1先上处理机运行，P1对信号量执行了P操作，所以信号量减一变为0，此时P1这个进程被分配到了临界区这个系统资源，因此P1就可以执行临界区的这段代码
  3. 如果此时发生了进程切换，切换成了P2这个进程，此时，P2再对信号量进程P操作的时候，信号量的值由0变为了-1，代表此时没有系统资源分配给P2进程使用，因此P2会执行block原语，把自己阻塞起来，一直到P1使用完临界区执行完V操作，释放掉临界区资源之后，P2进程被唤醒
  4. 因此用初始值为一的信号量是可以实现对临界资源的互斥访问的
实现进程同步
1. 过程
  1. 分析什么地方需要实现“同步关系”，即必须保证“一前一后”执行的两个操作（或两句代码)
  2. 设置同步信号量s,初始为0
  3. 在“前操作”之后执行v(S)
  4. 在“后操作”之前执行P(S)
3. 具体过程实现
  1. 代码4必须在代码2之后才可以执行，所以代码2是执行在代码4之前的操作
  2. 在代码4的前操作代码2完成之后，执行V操作
  3. 代码4是代码2的后操作，所以在代码4执行之前要执行P操作
  4. 第一种情况：假如P1先执行了V操作，信号量的值由0变为1，P2再对信号量S进行P操作的时候，此时S=1，表示资源可用，S由1变为0，P2进程不会执行block原语，而是会继续往下执行代码4/5/6
  5. 第二种情况：若P2进程先执行到P(S)操作，由于S=0，S--后S=-1，表示此时没有可用资源，因此P操作中会执行block原语，主动请求阻塞。之后当执行完代码2，继而执行v(S)操作，S++，使s变回0，由于此时有进程在该信号量对应的阻塞队列中，因此会在v操作中执行wakeup原语，唤醒P2进程。这样P2就可以继续执行代码4了
实现进程的前驱关系

2.3.6 生产者-消费者问题

基本细节
1. 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。（注:这里的“产品”理解为某种数据)
2. 生产者、消费者共享一个初始为空、大小为n的缓冲区。
3. 只有缓冲区没满时，生产者才能把产品放入缓冲区，否则必须等待。（同步关系。缓冲区满时，生产者要等待消费者取走产品）
4. 只有缓冲区不空时，消费者才能从中取出产品，否则必须等待。（同步关系。缓冲区空时（即没有产品时），消费者要等待生产者放入产品）
5. 缓冲区是临界资源，各进程必须互斥地访问。
如何用信号量机制(P、v操作）实现生产者、消费者进程的这些功能
1. 分析步骤
  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
  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。（生产者每次要消耗（P）一个空闲缓冲区，并生产（V）一个产品。消费者每次要消耗（P）一个产品，并释放一个空闲缓冲区(V）。往缓冲区放入/取走产品需要互斥。）
  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)
2. 实现过程

2.3.11 管程

2.4 死锁

2.4_1_死锁的概念

什么是死锁
1. 各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进的现象
进程死锁、饥饿、死循环的区别
1. 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。比如:在短进程优先（SPF）算法中，若有源源不断的短进程到来，则长进程将一直得不到处理机，从而发生长进程“饥饿”。
2. 死循环:某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑bug 导致的，有时是程序员故意设计的。
死锁产生的必要条件（四个条件同时满足才会死锁）
1. 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（如哲学家的筷子、打印机设备）。像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待这种资源）。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 注意!发生死锁时一定有循环等待，但是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)
什么时候会发生死锁
1. 对系统资源的竞争。各进程对不可剥夺的资源（如打印机）的竞争可能引起死锁，对可剥夺的资源（CPU)的竞争是不会引起死锁的。
2. 进程推进顺序非法。请求和释放资源的顺序不当，也同样会导致死锁。例如并发执行的进程P1、P2分别申请并占有了资源R1、R2，之后进程P1又紧接着申请资源R2，而进程p2又申请资源R1，两者会因为申请的资源被对方占有而阻塞，从而发生死锁。
3. 信号量的使用不当也会造成死锁。如生产者-消费者问题中，如果实现互诉的P操作在实现同步的P操作之前，就有可能导致死锁。(可以把互斥信号量、同步信号量也看做是一种抽象的系统资源)
死锁的处理策略（避免死锁的发生）
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，从而避免死锁（银行家算法)
3. 死锁的检测和解除。允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。

2.4_2_死锁的处理策略—预防死锁

打破互斥条件
1. 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。
2. 如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。比如: SPooLing技术。操作系统可以采用SPoOLing技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如，用SPooLing技术将打印机改造为共享设备…
3. 缺点：并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。
打破不剥夺条件
1. 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。
2. 方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
3. 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。这种方式一般需要考虑各进程的优先级（比如:剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用)
4. 缺点:
  1. 实现起来比较复杂。
  2. 释放已获得的资源可能造成前一阶段工作的失效。因此这种方法一般只适用于易保存和恢复状态的资源，如CPU。
  3. 反复地申请和释放资源会增加系统开销，降低系统吞吐量。
  4. 若采用方案一，意味着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。
打破请求和保持条件
1. 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。
2. 采用静态分配方法，即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了。
3. 缺点：
  1. 有些资源可能只需要用很短的时间，因此如果进程的整个运行期间都一直保持着所有资源，就会造成严重的资源浪费，资源利用率极低。另外，该策略也有可能导致某些进程饥饿。
打破循环等待条件
1. 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。
2. 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。
3. 原理分析：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。按此规则，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。
4. 缺点：
  1. 不方便增加新的设备，因为可能需要重新分配所有的编号;
  2. 进程实际使用资源的顺序可能和编号递增顺序不一致，会导致资源浪费;
  3. 必须按规定次序申请资源，用户编程麻烦。

2.4_3_死锁的处理策略—避免死锁

安全序列
1. 所谓安全序列，就是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。只要能找出一个安全序列，系统就是安全状态。当然，安全序列可能有多个。
2. 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。这就意味着之后可能所有进程都无法顺利的执行下去。当然，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，不过我们在分配资源之前总是要考虑到最坏的情况。
3. 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（处于不安全状态未必就是发生了死锁，但发生死锁时一定是在不安全状态)
4. 因此可以在资源分配之前预先判断这次分配是否会导致系统进入不安全状态，以此决定是否答应资源分配请求。这也是“银行家算法”的核心思想。
系统的不安全状态，与死锁的联系
避免系统进入不安全状态——银行家算法
2. 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
3. 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_4_死锁的处理策略—检测和解除

死锁的检测
1. 用某种数据结构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。
死锁的解除
1. 一旦检测出死锁的发生，就应该立即解除死锁。
2. 补充
  1. 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就是死锁进程
3. 解除死锁的主要方法：
  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。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿。
  2. 撤销进程法（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。这种方式的优点是实现简单，但所付出的代价可能会很大。因为有些进程可能已经运行了很长时间，已经接近结束了，一旦被终止可谓功亏一篑，以后还得从头再来。
  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。这就要求系统要记录进程的历史信息，设置还原点。