进程与线程思维导图

U582141251

2024-12-20

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算法规则

算法思想

先来先服务

进程与线程内容详述

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思维导图大纲

进程与线程基本概念

进程

概念

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

组成(进程实体/进程映像)

PCB（进程控制块）

进程描述信息

进程控制和管理信息

资源分配名单

处理相关信息

程序段

程序的代码(指令序列)

数据段

运行过程中产生的各种数据

特征

动态性

进程最基本特征

并发行

独立性

进程是能独立运行，独立获得的资源，独立接受调度的基本单位。

异步性

各进程以不可预知的速度向前推进，可能会导致运行结果的不确定性。

结构性

状态

运行状态

CPU和其他所需资源

就绪状态

其他所需资源

阻塞状态

创建状态

操作系统为新进程分配资源，创建PCB

终止状态

操作系统回收进程的资源，撤销CPU

进程状态间的转换

就绪态->运行态

进程被调整

运行态->就绪态

时间片到，或CPU被其他高优先级进程抢占

运行态->阻塞态

等待系统资源分配，或者等待某件事发生(主动行为)

阻塞态->就绪态

资源分配到位，等待的事件发生(被动行为)

创建态->就绪态

系统完成创建进程相关的工作

运行态->终止态

进程运行结束，或运行过程中遇到的不可修复的错误。

进程的组织方式

链接方式

按照进程将PCB分为多个对队列

操作系统持有指向各个队列的指针

索引方式

根据进程状态的不同，建立几张索引表

操作系统持有指向各个索引表的指针

进程通信

共享存储

设置一个共享内存区域，并且映射到进程的虚拟地址空间

要互斥的访问共享空间（由通信进程自己负责实现互斥）

两种方式

基于数据结构(低级)

基于存储区的共享(共享)

消息传递

传递结构化的消息(消息头/消息体)

系统提供”发送/接受原语”

两种方式

直接通信方式

消息直接挂到接受进程的消息队列里面

间接(信箱)通信方式

消息先发到中间体(信箱里面)

管道通信

设置一个特殊的共享通道(文件)，其实就是一个内存缓冲区

一个管道只能实现半双工通信

实现双向同时通信要建立两个管道

各进程要互斥的访问管道(由操作系统负责实现互斥)

管道写满时，写进程阻塞。管道读空时，读进程堵塞。

线程

概念

是一个基本的CPU执行单元，也是程序执行流的最小单位。

属性

线程是处理机调度的单位

多CPU计算机中，各个线程可占用不同的CPU

每个线程都有一个线程ID，线程控制块(TCB)

线程也有就绪，阻塞，运行三种基本状态

线程几乎不拥有系统资源

同一进程不同线程之间共享进程的资源

由于共享内存的地址空间，同一进程中的线程间通信甚至无需系统干预

同一进程中的线程切换，不会引起进程切换。

不同进程的线程切换，会引起进程切换

切换同进程的线程，系统开销很小

切换进程，系统开销大

线程的实现方式

用户级线程

内核级线程

组合方式

多线程模型

一对一模型

多对一模型

多对多模型

处理机调度

基本概念

按某种算法选择一个进程将处理机分配给他

三个层次

高级调度(作业调度)

按照某种规则，从后备队列中选择合适的作业将其掉入内存，并为其创建进程

中级调度(内存调度)

按照某种规则，从挂起队列中选择合适的进程将其数据调回内存

低级调度(进程调度)

按照某种规则，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

三层调度的联系，对比

高级调度

外存->内存(面向作业)

发生频率:最低

中级调度

外存->内存(面向进程)

发生频率:中等

低级调度

内存->CPU

发生频率：最高

补充知识

为减轻系统负载，提高资源利用率，暂时不执行的进程会被调到外村从而变为”挂起态”

七状态模型:在五状态模型的基础上加入了’就绪挂起’和“阻塞挂起”的两种状态

调度的目标

CPU利用率

也有题目会让我们计算某种设备的利用率

利用率=忙碌的时间/总时间

系统吞吐量

系统吞吐量=总共完成了多少道作业/总共花了多少钱

周转时间

周转时间=作业完成时间-作业提交时间

平均周转时间 = 作业周转时间之和/作业数

带权周转时间=作业周转时间/作业实际运行的时间

平均带权周转时间=各作业带权周转时间之和/作业数

等待时间

进程/作业等待被服务的时间之和

平均等待时间即各个进程/作业等待时间的平均值

响应时间

从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

进程调度的时机切换与过程调度方式

时机

什么时候需要进程调度？

主动放弃

进程正常终止

运行过程中发生异常终止

主动阻塞

被动放弃

分给进程的时间片用完

有更紧急的事情需要处理(如I/O中断)

有更高优先级的进程进入就绪队列

什么时候不能进行进程调度

在处理中断的过程中

进程在操作系统内核程序临界区中

原子操作过程中（原语）

切换与过程

侠义的”调度”和”切换”的区别

对新的进程各种数据的恢复

重要结论:进程调度，切换是有代价的，并不是调度越频繁，并发度越高。

方式

非剥夺调度方式(非抢占)

只能由当前运行的进程主动放弃cpu

剥夺调度方式(抢占式)

可由操作系统剥夺当前进程的cpu使用权

调度算法

先来先服务(FCFS）

算法思想

主要从公平”公平”的角度考虑

算法规划

按照作业/进程先后顺序进行服务

用于作业/进程调度

用于作业调度时，考虑的是哪个作业线后到达后备队列；用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列

是否可抢占？

非抢占式的算法

优缺点

优点:公平，算法实现简单

缺点:排在长作业(进程)后面的短作业需要等待很久时间，带权周转时间很长，对短作业来说用户体验不好

FCFS算法对长作业有利，对短作业不利

是否会导致饥饿

不会

短作业优先(SJF)

算法思想

追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间，最少的平均带权时间

算法规则

最短的作业/进程优先得到服务

用于作业/进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度，用于进程调度时，为“短进程优先”

是否可抢占

SJF和SPF是非抢占式算法，但是也有抢占式的版本—最短剩余时间优先

优缺点

优点:最短的平均等待时间，平均周转时间

缺点:不公平。对短作业有利，对长作业不利。可能会产生饥饿现象

是否会导致饥饿

会，如果源源不断地短作业进来就会被饿死

高响应比优先(HRRN)

算法思想

要综合考虑作业/进程的等待时间

算法规则

在每次调度时先计算各个作业的响应比，选择响应比较高的那个作业

用于作业/进程调度

即可用于作业调度，也可用于进程调度

是否可抢

非抢占式

优缺点

综合考虑了等待时间和运行时间（要求服务时间）。等待时间相同，要求服务时间短的优先。(SJF的优点) 要求服务时间相同时，等待时间长的优先(FCFS的优先)对于长作业来说，随着等待时间越来越久，其响应比越来越大，从而避免的长作业饥饿的问题

是否会导致饥饿

不会

时间片轮转调度算法(RR)

算法思想

公平的，轮流的为各个进程进行服务，让每个进程在一段时间间隔内都可以得到回应

算法规则

用于作业/进程调度

用于进程调度

是否可抢占

抢占式

优缺点

优点：公平；响应快；适用于分时操作系统

缺点:由于高频率的进程切换，因此有一定的开销，不区分任务的紧急程度

是否会导致饥饿

不会

补充

时间片大小可能会导致一些区别

优先级调度算法

算法规则

调度时选择优先级较高的进程

是否抢占

都有

优缺点

优点：用优先级区分紧急程度，重要程度。

缺点:如果有渊源不断的高优先级进程到来，会导致饥饿

适用于实时操作系统，可灵活的调整对各种作业/进程的偏好程度

多级反馈队列调度算法

算法思想

对其他调度算法的折中权衡

算法规则

1.设置多级就绪队列，各级队列优先级从高到低，时间片从小到大。 2.新进程到达时先进入第1级队列，按照FCFS原则排队等待被分配时间片，如果用完时间片进程还没有结束，则进程进入下一级队列队尾。 3.只有k级队列为空时，才会为k+1级队头低进程分配时间片

用于作业/进程调度

用于进程

是否可抢占

抢占式

优缺点

1.对各类型进程相对公平(拥有FCFS的优点)。2.每个新到达的进程都可以很快的得到响应(拥有RR的优点)。 3.不必实现估计进程的运行时间(避免用户作假)可以灵活的调整对各类进程的偏好程度。

是否会导致饥饿

会

多级队列调度算法

3. 同步与互斥

进程同步

并发性带来了异步性，有时需要通过进程同步解决这种异步问题。

进程互斥

对临界资源的访问，需要互斥的进行。即同一时间段内只允许一个进程访问该资源

四个部分

进入区

检查是否可进入临界区。

临界区

访问临界资源的那段代码

剩余区

其余代码部分

退出区

负责解锁

需要遵循的原则

空闲让进

临界区空闲，应允许一个进程访问

忙则等待

临界区正在被访问时，其他试图访问的进程需要等待

有限等待

要在有限时间内进入临界区，保证不会饥饿

让权等待

进不了临界区的进程，要释放处理机，防止忙着

进程互斥的软件实现办法

单标志法

在进入区只做”检查”，不“上锁”

在退出区把临界区的使用权转交给另一个进程

主要问题:不遵循‘忙则等待’原则

双标志先检查

在进入区先”检查”后”上锁”，退去区”解锁”

主要问题:不遵循”忙则等待”

双标志后检查

在进入区先”加锁”后“等待”

主要问题：不尊循”空闲让进，有限等待”，可能导致‘饥饿’

Peterson算法

在进入区“主动争取—主动谦让—检查对方是否想进，己方是否谦让”

主要问题：不遵循“让权等待”原则，会发生“忙等”

进程互斥的硬件实现办法

中断屏蔽方法

使用”开/关中断”指令实现

优点:简单高效

缺点:只适用于单处理机:只适用于操作系统内核进程

TestAndSet(TS指令/TSL指令)

old记录是否已被上锁。再将lock设为true，检查临界区是被已被上锁。

优点：实现简单；适用于多处理机环境；

缺点:不满足‘让权等待’

Swap指令(XCHG指令)

信号量机制

整型信号量

用一个整数型变量作为信号量，数值表示某种资源数

整型信号量与普通整型变量的区别:对信号量只能执行初始化，P,V三种操作

整形信号量存在的问题:不满足让权等待的原则

记录型信号量

S.value表示某种资源数，S.L指向等待资源的队列

P操作中，一定是先S.value—,之后可能需要执行block原语

V操作中，一定是先S.value++,之后可能需要执行wakeup原语。

注意：要能够自己推断在什么条件下需要执行block或wakeup

可以用记录型信号量实现系统资源的”申请”和”释放”

管程

为什么引入管程

解决信号量机制编程麻烦，易出错的问题

组成

共享数据结构

对数据结构初始化语句

一组用来访问数据结构的过程(函数)

基本特征

各外程进程/线程只能通过管程提供特定”入口”才能访问共享数据

每次仅允许一个进程内执行某个内部过程

补充

各进程必须互斥访问管程的特性是由编译器实现的

可在管程中设置条件变量及其等待/唤醒操作以解决同步问题

4. 死锁的概念

什么是死锁

各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都堵塞，无法向前推进

死锁，饥饿，死循环的区别

死锁

饥饿

死循环

死锁和饥饿是操作系统要解决的问题，死循环才是应用程序员要解决的

死锁产生的必要条件

互斥条件

不剥夺条件

请求和保持条件

循环等待条件

什么时候会发生死锁

对不可剥夺资源的不合理分配，可能导致死锁

死锁的处理策略

预防死锁

避免死锁

死锁的检测和解除

5. 渠道管理

渠道规划

运营管理

合作管理

数据分析

6. 用户增长

数据分析

渠道投放

流量引入

社群运营

7. 数据分析

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数据清洗

数据分析

数据应用

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用户监控

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