操作系统（三）| 进程管理下经典进程问题分析线程死锁

文章目录

6.经典进程同步问题
- 6.1 生产者-消费者问题 (既有同步又有互斥)
- 6.2 读者-写者问题
- 6.3 哲学家进餐问题
- 6.4理发师问题
7. 进程之间通信
- 7.1 共享存储区
- 7.2 消息传递
- 7.3 管道
8.线程
- 8.1 线程的实现机制
9 进程调度
- 9.1 调度方式
- 9.2 常见算法
- - 先来先服务 FCFS
  - 短进程优先 SPN
  - 最高相应比优先算法
  - 时间片轮转 RR
  - 基于优先级的调度
  - 多级反馈队列
10 死锁
- 10.1 基本概念
- - 资源分类
- 10.2 如何处理死锁
- - 10.2.1 死锁检测
  - 10.2.2 何时检测

6.经典进程同步问题

6.1 生产者-消费者问题 (既有同步又有互斥)

生产者往缓冲区写数据，满了的话就不能写了

消费者从缓冲区取数据，空的话就不能取了

一次只能有一个生产者或消费者取读数据

总结要求

（1）不能向满的缓存区写数据

（2）不能向空的缓存区取数据

（3）任何时刻，仅允许一个1个生成者或1个消费者访问

意味着消费者之间互斥，生成者之间互斥，消费者和生产者之间互斥

full：记录缓冲区中非空的槽数，初始值=0

empty：记录缓冲区中空的槽数，初始值=N

mutex：确保进程不同时访问缓冲区，初始值=1

解决（1）（2）

void producer(void){while (True) {produce(); //生产1项P(empty); //申请1个空槽P(mutex); //请求进入临界区append(); //加入缓冲区V(mutex); //离开临界区V(full); //递增非空槽}
}void consumer(void){while (TRUE) {P(full); //申请1个非空槽P(mutex); //申请进入临界区remove(); //从缓冲区移出1项V(mutex); //离开临界区V(empty); //递增空槽数consume(); //消费数据}
}

解决死锁问题

6.2 读者-写者问题

多个Reader进程，多个Writer进程，共享文件F
要求：
允许多个Reader进程同时读文件
不允许任何一个Writer进程与其他进程同时访问（读或写）文件

我的方案

read_count=N 初始值N，空额的值

write_count=0

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

标答

write

WriteMutex = 0 读写操作的互斥访问
Rcoun = 0 正在读操作的读者数目
CountMutex = 0 读者计数的互斥访问

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 哲学家进餐问题

6.4理发师问题

注意对于共享变量，一定要加PV临界操作

7. 进程之间通信

P,V操作实现的是进程之间的低级通信，所以P,V操作是低级通讯原语，即不能传递大量的信息

所以我们引入进程间高级通讯方式

7.1 共享存储区

相互通信的进程间设有公共的内存区，每个进程既可向该公共内存中写，也可从公共内存中读，通过这种方式实现进程间的信息交换。
把同一个物理内存区域同时映射到多个进程的内存地址空间的通信机制

7.2 消息传递

源进程发送消息，目的进程接受消息。所谓消息，就是一组数据。

（1）消息队列（message Queue）或消息缓冲
发送者发消息到一个消息队列中；
接收者从相应的消息队列中取消息。
消息队列所占的空间从系统的公用缓冲区中申请得到。
（2）邮箱（mailbox）
发送者发消息到邮箱，接收者从邮箱取消息。
邮箱是一种中间实体，一般用于非实时通信。

7.3 管道

首创于Unix。用于连接一个读进程、一个写进程，以实现它们之间通信的共享文件，称为pipe文件。

管道分为下列2种：
有名管道
无名管道

8.线程

为什么引入线程

线程是进程的１条执行路径。

1个进程可以有多个线程，其中至少有1个主线程（primary thread）。

1个进程内的多个线程在同一个地址空间内（共享该进程的地址空间）。

每个线程有自己的线程控制块TCB（Thread Control Block），包含自己的堆栈和状态信息。TCB比PCB小得多。

8.1 线程的实现机制

用户级线程

由在用户空间执行的线程库来实现，OS对此一无所知。　
线程库提供线程创建、撤消、上下文切换、通信、调度等功能。

用户级线程是自己实现的线程创建，删除

但是这样的话操作系统分配的是进程为单位的，容易阻塞

但是性能高，无需陷入内核

核心级线程

用户级线程是自己实现的线程创建，删除

但是这样的话操作系统分配的是线程为单位的

但是性能低，需要陷入内核

进程和线程是操作系统中用于实现并发执行的两个基本概念，它们之间有许多重要区别，包括以下几点：

定义：
- 进程（Process）是一个独立的执行单元，拥有独立的内存空间和系统资源，它代表了一个正在运行的程序的实例。每个进程都有自己的地址空间，堆栈和数据段，相互之间不共享这些资源。
- 线程（Thread）是进程内的一个轻量级执行单元，线程共享进程的地址空间和系统资源，包括堆栈和文件描述符。多个线程可以在同一进程中并发执行，它们之间共享相同的内存空间。
创建和销毁开销：
- 进程的创建和销毁通常比较耗费系统资源，因为每个进程都有独立的内存空间，需要进行全新的资源分配和销毁。
- 线程的创建和销毁相对较轻量，因为它们共享进程的资源。创建一个线程通常比创建一个新进程要快速和经济。
通信：
- 进程之间通信通常需要使用进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）机制，例如管道、消息队列、共享内存等，来传递数据和信息。
- 线程之间通信可以更容易地实现，因为它们共享相同的内存空间。线程可以通过共享变量等方式直接进行通信。
并发性和并行性：
- 进程通常具有更高的并发性，因为不同进程之间相互独立，可以在不同的处理器上并行执行。多进程可以更好地利用多核处理器。
- 线程在同一进程内并发执行，它们共享进程的资源，因此在多核处理器上并行执行的程度有限。但线程之间的切换比进程切换更快，因为不涉及进程资源的切换。
安全性：
- 由于线程共享进程的内存空间，因此多个线程之间的错误可能更容易导致进程崩溃或数据损坏。
- 进程之间的安全性更高，因为它们拥有独立的内存空间，一个进程的错误通常不会影响其他进程。
编程模型：
- 多进程编程相对较复杂，因为需要处理进程间通信和同步问题。
- 多线程编程相对较简单，因为线程之间共享数据，但需要小心处理共享资源的同步问题。