多任务
在上古时代，CPU 资源十分昂贵，如果让 CPU 只能运行一个程序，那么当 CPU 空闲下来（例如等待 I/O 时），CPU 就空闲下来了。为了让 CPU 得到更好的利用，人们编写了一个监控程序，如果发现某个程序暂时无须使用 CPU 时，监控程序就把另外的正在等待 CPU 资源的程序启动起来，以充分利用 CPU 资源。这种方法被称为 多道程序（Multiprogramming）。
对于多道程序来说，最大的问题是程序之间不区分轻重缓急，对于交互式程序来说，对于 CPU 计算时间的需求并不多，但是对于响应速度却有比较高的要求。而对于计算类程序来说则正好相反，对于响应速度要求低，但是需要长时间的 CPU 计算。想象一下我们同时在用浏览器上网和听音乐，我们希望浏览器能够快速响应，同时也希望音乐不停掉。这时候多道程序就没法达到我们的要求了。于是人们改进了多道程序，使得每个程序运行一段时间之后，都主动让出 CPU 资源，这样每个程序在一段时间内都有机会运行一小段时间。这样像浏览器这样的交互式程序就能够快速地被处理，同时计算类程序也不会受到很大影响。这种程序协作方式被称为 分时系统（Time-Sharing System）。
在分时系统的帮助下，我们可以边用浏览器边听歌了，但是如果某个程序出现了错误，导致了死循环，不仅仅是这个程序会出错，整个系统都会死机。为了避免这种情况，一个更为先进的操作系统模式被发明出来，也就是我们现在很熟悉的 多任务（Multi-tasking）系统。操作系统从最底层接管了所有硬件资源。所有的应用程序在操作系统之上以 进程（Process） 的方式运行，每个进程都有自己独立的地址空间，相互隔离。CPU 由操作系统统一进行分配。每个进程都有机会得到 CPU，同时在操作系统控制之下，如果一个进程运行超过了一定时间，就会被暂停掉，失去 CPU 资源。这样就避免了一个程序的错误导致整个系统死机。如果操作系统分配给各个进程的运行时间都很短，CPU 可以在多个进程间快速切换，就像很多进程都同时在运行的样子。几乎所有现代操作系统都是采用这样的方式支持多任务，例如 Unix，Linux，Windows 以及 macOS。
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
- 等待态：等待某个事件的完成；
- 就绪态：等待系统分配处理器以便运行；
- 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。
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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
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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
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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。
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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。
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-
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。
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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。
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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；
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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：
- 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
- 临界区:在临界区做操作
- 退出区:清除临界区被占用的标志
- 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：
- 一般软件方法
- 关中断方法
- 硬件原子指令方法
- 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
");
pthread_cond_wait(&cond_consumer, &mutex);
}
count--;
printf("consume a item
");
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
");
pthread_cond_wait(&cond_producer, &mutex);
}
count++;
printf("produce a item.
");
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
");
exit(1);
}
err = pthread_create(&producer, NULL, produce, (void*)NULL);
if(err != 0){
printf("producer thread created failed
");
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）