进程

进程是一个具有独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它可以申请和拥有系统资源，是一个动态的概念，是一个活动的实体。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。

进程的概念主要有两点：第一，进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时，它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

进程的基本状态

  1. 等待态：等待某个事件的完成；
  2. 就绪态：等待系统分配处理器以便运行；
  3. 运行态：占有处理器正在运行。

运行态→等待态 往往是由于等待外设，等待主存等资源分配或等待人工干预而引起的。

等待态→就绪态 则是等待的条件已满足，只需分配到处理器后就能运行。

运行态→就绪态 不是由于自身原因，而是由外界原因使运行状态的进程让出处理器，这时候就变成就绪态。例如时间片用完，或有更高优先级的进程来抢占处理器等。

就绪态→运行态 系统按某种策略选中就绪队列中的一个进程占用处理器，此时就变成了运行态

进程调度

调度种类

高级、中级和低级调度作业从提交开始直到完成，往往要经历下述三级调度：

  • 高级调度：(High-Level Scheduling)又称为作业调度，它决定把后备作业调入内存运行；
  • 中级调度：(Intermediate-Level Scheduling)又称为在虚拟存储器中引入，在内、外存对换区进行进程对换。
  • 低级调度：(Low-Level Scheduling)又称为进程调度，它决定把就绪队列的某进程获得CPU；

非抢占式调度与抢占式调度

  • 非抢占式

    分派程序一旦把处理机分配给某进程后便让它一直运行下去，直到进程完成或发生进程调度进程调度某事件而阻塞时，才把处理机分配给另一个进程。

  • 抢占式

    操作系统将正在运行的进程强行暂停，由调度程序将CPU分配给其他就绪进程的调度方式。

调度策略的设计

响应时间: 从用户输入到产生反应的时间

周转时间: 从任务开始到任务结束的时间

CPU任务可以分为交互式任务和批处理任务，调度最终的目标是合理的使用CPU，使得交互式任务的响应时间尽可能短，用户不至于感到延迟，同时使得批处理任务的周转时间尽可能短，减少用户等待的时间。

调度算法

  1. FIFO或First Come, First Served (FCFS)

    调度的顺序就是任务到达就绪队列的顺序。

    公平、简单(FIFO队列)、非抢占、不适合交互式。未考虑任务特性，平均等待时间可以缩短

  2. Shortest Job First (SJF)

    最短的作业(CPU区间长度最小)最先调度。

    可以证明，SJF可以保证最小的平均等待时间。

    • Shortest Remaining Job First (SRJF)

      SJF的可抢占版本，比SJF更有优势。

    SJF(SRJF): 如何知道下一CPU区间大小？根据历史进行预测: 指数平均法。

  1. 优先权调度

    每个任务关联一个优先权，调度优先权最高的任务。

    注意：优先权太低的任务一直就绪，得不到运行，出现“饥饿”现象。

    FCFS是RR的特例，SJF是优先权调度的特例。这些调度算法都不适合于交互式系统。

  2. Round-Robin(RR)

    设置一个时间片，按时间片来轮转调度（“轮叫”算法）

    优点: 定时有响应，等待时间较短；缺点: 上下文切换次数较多；

    如何确定时间片？

    时间片太大，响应时间太长；吞吐量变小，周转时间变长；当时间片过长时，退化为FCFS。

  3. 多级队列调度

    • 按照一定的规则建立多个进程队列
    • 不同的队列有固定的优先级（高优先级有抢占权）
    • 不同的队列可以给不同的时间片和采用不同的调度方法

    存在问题1：没法区分I/O bound和CPU bound；

    存在问题2：也存在一定程度的“饥饿”现象；

  4. 多级反馈队列

    在多级队列的基础上，任务可以在队列之间移动，更细致的区分任务。

    可以根据“享用”CPU时间多少来移动队列，阻止“饥饿”。

    最通用的调度算法，多数OS都使用该方法或其变形，如UNIX、Windows等。

进程同步

临界资源与临界区

在操作系统中，进程是占有资源的最小单位（线程可以访问其所在进程内的所有资源，但线程本身并不占有资源或仅仅占有一点必须资源）。但对于某些资源来说，其在同一时间只能被一个进程所占用。这些一次只能被一个进程所占用的资源就是所谓的临界资源。典型的临界资源比如物理上的打印机，或是存在硬盘或内存中被多个进程所共享的一些变量和数据等(如果这类资源不被看成临界资源加以保护，那么很有可能造成丢数据的问题)。

对于临界资源的访问，必须是互斥进行。也就是当临界资源被占用时，另一个申请临界资源的进程会被阻塞，直到其所申请的临界资源被释放。而进程内访问临界资源的代码被成为临界区。

对于临界区的访问过程分为四个部分：

  1. 进入区:查看临界区是否可访问，如果可以访问，则转到步骤二，否则进程会被阻塞
  2. 临界区:在临界区做操作
  3. 退出区:清除临界区被占用的标志
  4. 剩余区：进程与临界区不相关部分的代码

解决临界区问题可能的方法：

  1. 一般软件方法
  2. 关中断方法
  3. 硬件原子指令方法
  4. 信号量方法

信号量

信号量是一个确定的二元组（s，q），其中s是一个具有非负初值的整形变量，q是一个初始状态为空的队列，整形变量s表示系统中某类资源的数目：

  • 当其值 ≥ 0 时，表示系统中当前可用资源的数目
  • 当其值 ＜ 0 时，其绝对值表示系统中因请求该类资源而被阻塞的进程数目

除信号量的初值外，信号量的值仅能由P操作和V操作更改，操作系统利用它的状态对进程和资源进行管理

P操作：

P操作记为P(s)，其中s为一信号量，它执行时主要完成以下动作：

s.value = s.value - 1；  /*可理解为占用1个资源，若原来就没有则记帐“欠”1个*/

若s.value ≥ 0，则进程继续执行，否则（即s.value < 0），则进程被阻塞，并将该进程插入到信号量s的等待队列s.queue中

说明：实际上，P操作可以理解为分配资源的计数器，或是使进程处于等待状态的控制指令

V操作：

V操作记为V(s)，其中s为一信号量，它执行时，主要完成以下动作：

s.value = s.value + 1；/*可理解为归还1个资源，若原来就没有则意义是用此资源还1个欠帐*/

若s.value > 0，则进程继续执行，否则（即s.value ≤ 0）,则从信号量s的等待队s.queue中移出第一个进程，使其变为就绪状态，然后返回原进程继续执行

说明：实际上，V操作可以理解为归还资源的计数器，或是唤醒进程使其处于就绪状态的控制指令

信号量方法实现：生产者 − 消费者互斥与同步控制

semaphore fullBuffers = 0; /*仓库中已填满的货架个数*/
semaphore emptyBuffers = BUFFER_SIZE;/*仓库货架空闲个数*/
semaphore mutex = 1; /*生产-消费互斥信号*/

Producer() 
{ 
    while(True)
    {  
       /*生产产品item*/
       emptyBuffers.P(); 
       mutex.P(); 
       /*item存入仓库buffer*/
       mutex.V();
       fullBuffers.V();
    }
}

Consumer() 
{
    while(True)
    {
        fullBuffers.P(); 
        mutex.P();    
        /*从仓库buffer中取产品item*/
        mutex.V();
        emptyBuffers.V();
        /*消费产品item*/
    }
}

使用pthread实现的生产者－消费者模型：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>
#define BUFFER_SIZE 10

static int buffer[BUFFER_SIZE] = { 0 };
static int count = 0;

pthread_t consumer, producer;
pthread_cond_t cond_producer, cond_consumer;
pthread_mutex_t mutex;

void* consume(void* _){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(count == 0){
      printf("empty buffer, wait producer\n");
      pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex); 
    }

    count--;
    printf("consume a item\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_producer);
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }
  pthread_exit(0);
}

void* produce(void* _){
  while(1){
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while(count == BUFFER_SIZE){
      printf("full buffer, wait consumer\n");
      pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
    }

    count++;
    printf("produce a item.\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_cond_signal(&cond_consumer);
    //pthread_mutex_unlock(&mutex);
  }
  pthread_exit(0);
}

int main() {

  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_consumer, NULL);
  pthread_cond_init(&cond_producer, NULL);

  int err = pthread_create(&consumer, NULL, consume, (void*)NULL);
  if(err != 0){
    printf("consumer thread created failed\n");
    exit(1);
  }

  err = pthread_create(&producer, NULL, produce, (void*)NULL);
  if(err != 0){
    printf("producer thread created failed\n");
    exit(1);
  }

  pthread_join(producer, NULL);
  pthread_join(consumer, NULL);  

  //sleep(1000);

  pthread_cond_destroy(&cond_consumer);
  pthread_cond_destroy(&cond_producer);
  pthread_mutex_destroy(&mutex);


  return 0;
}

死锁

死锁: 多个进程因循环等待资源而造成无法执行的现象。

死锁会造成进程无法执行，同时会造成系统资源的极大浪费(资源无法释放)。

死锁产生的4个必要条件：

  • 互斥使用(Mutual exclusion)

    指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。

  • 不可抢占(No preemption)

    指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。

  • 请求和保持(Hold and wait)

    指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。

  • 循环等待(Circular wait) 指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。

死锁避免——银行家算法

思想: 判断此次请求是否造成死锁若会造成死锁，则拒绝该请求

进程间通信

本地进程间通信的方式有很多，可以总结为下面四类：

  • 消息传递（管道、FIFO、消息队列）
  • 同步（互斥量、条件变量、读写锁、文件和写记录锁、信号量）
  • 共享内存（匿名的和具名的）
  • 远程过程调用（Solaris门和Sun RPC）

线程

线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是程序执行流的最小单元。一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成。

线程具有以下属性：

  1. 轻型实体 线程中的实体基本上不拥有系统资源，只是有一点必不可少的、能保证独立运行的资源。线程的实体包括程序、数据和TCB。线程是动态概念，它的动态特性由线程控制块TCB（Thread Control Block）描述。TCB包括以下信息：

    1. 线程状态。
    2. 当线程不运行时，被保存的现场资源。
    3. 一组执行堆栈。
    4. 存放每个线程的局部变量主存区。
    5. 访问同一个进程中的主存和其它资源。

    用于指示被执行指令序列的程序计数器、保留局部变量、少数状态参数和返回地址等的一组寄存器和堆栈。

  1. 独立调度和分派的基本单位。

    在多线程OS中，线程是能独立运行的基本单位，因而也是独立调度和分派的基本单位。由于线程很“轻”，故线程的切换非常迅速且开销小（在同一进程中的）。

  2. 可并发执行。 在一个进程中的多个线程之间，可以并发执行，甚至允许在一个进程中所有线程都能并发执行；同样，不同进程中的线程也能并发执行，充分利用和发挥了处理机与外围设备并行工作的能力。

  3. 共享进程资源。 在同一进程中的各个线程，都可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量机构等。由于同一个进程内的线程共享内存和文件，所以线程之间互相通信不必调用内核。 线程共享的环境包括：进程代码段、进程的公有数据(利用这些共享的数据，线程很容易的实现相互之间的通讯)、进程打开的文件描述符、信号的处理器、进程的当前目录和进程用户ID与进程组ID。

协程

协程，又称微线程，纤程。英文名Coroutine。

协程可以理解为用户级线程，协程和线程的区别是：线程是抢占式的调度，而协程是协同式的调度，协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能，但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力。

使用协程(python)改写生产者-消费者问题：

import time

def consumer():
    r = ''
    while True:
        n = yield r
        if not n:
            return
        print('[CONSUMER] Consuming %s...' % n)
        time.sleep(1)
        r = '200 OK'

def produce(c):
    next(c)                   #python 3.x中使用next(c)，python 2.x中使用c.next()
    n = 0
    while n < 5:
        n = n + 1
        print('[PRODUCER] Producing %s...' % n)
        r = c.send(n)
        print('[PRODUCER] Consumer return: %s' % r)
    c.close()

if __name__=='__main__':
    c = consumer()
    produce(c)

可以看到，使用协程不再需要显式地对锁进行操作。

IO多路复用

基本概念

IO多路复用是指内核一旦发现进程指定的一个或者多个IO条件准备读取，它就通知该进程。IO多路复用适用如下场合：

  1. 当客户处理多个描述字时（一般是交互式输入和网络套接口），必须使用I/O复用。
  2. 当一个客户同时处理多个套接口时，而这种情况是可能的，但很少出现。
  3. 如果一个TCP服务器既要处理监听套接口，又要处理已连接套接口，一般也要用到I/O复用。
  4. 如果一个服务器即要处理TCP，又要处理UDP，一般要使用I/O复用。
  5. 如果一个服务器要处理多个服务或多个协议，一般要使用I/O复用。

与多进程和多线程技术相比，I/O多路复用技术的最大优势是系统开销小，系统不必创建进程/线程，也不必维护这些进程/线程，从而大大减小了系统的开销。

常见的IO复用实现

  • select(Linux/Windows/BSD)
  • epoll(Linux)
  • kqueue(BSD/Mac OS X)

参考资料

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