【前端面试】操作系统（二）

进程调度策略

进程调度策略是操作系统中用于选择和分配CPU资源给不同进程的重要机制。以下是几种常见的进程调度策略：

1. 先来先服务（FCFS, First Come First Served）

• 原理：按照进程到达的先后顺序进行调度，即先到达的进程先被调度执行。
• 优点：实现简单，易于理解，公平性较高。
• 缺点：可能导致长作业等待时间过长，影响系统吞吐量和响应时间，不利于短作业和I/O密集型作业。

2. 短作业优先（SJF, Shortest Job First）

• 原理：选择剩余执行时间最短的进程先运行，以减少平均等待时间。
• 优点：能最大程度地减少平均等待时间，提高系统吞吐量。
• 缺点：可能导致长作业饥饿，且需要预先知道每个进程的执行时间，对实时系统不太适用。

3. 优先级调度（Priority Scheduling）

• 原理：为每个进程分配一个优先级，并按照优先级从高到低进行调度。优先级高的进程将优先运行。
• 优点：可以确保关键任务或重要任务得到优先处理。
• 缺点：可能导致低优先级进程长时间等待，造成饥饿现象。

4. 时间片轮转（RR, Round Robin）

• 原理：将CPU时间划分成一段段时间片，每个进程执行一个时间片，然后轮流切换到下一个进程。若某个进程的时间片用完仍未完成，则被放到就绪队列的末尾等待。
• 优点：系统能在给定的时间内响应所有用户进程的请求，且时间片大小可调，以平衡系统响应时间和吞吐量。
• 缺点：可能导致上下文切换开销增加，影响系统性能。

5. 最高响应比优先（HRRN, Highest Response Ratio Next）

• 原理：综合考虑等待时间和执行时间的比值（响应比），选择响应比最高的进程先执行。响应比定义为（等待时间+服务时间）/服务时间。
• 优点：能够平衡长作业和短作业的等待时间，避免长作业饥饿。
• 缺点：每次调度前需要计算响应比，增加了系统开销。

6. 多级反馈队列调度（Multilevel Feedback Queue Scheduling）

• 原理：将进程按照优先级划分为多个队列，每个队列拥有不同的时间片大小。进程在队列中运行一段时间后，如果没有完成，就会被放入下一个队列中等待调度。
• 优点：能够满足不同类型进程的需求，提高系统整体性能。
• 缺点：实现较为复杂，需要合理设置队列的优先级和时间片大小。

7. 抢占式调度（Preemptive Scheduling）

• 特点：允许高优先级的进程抢占正在执行的低优先级进程的CPU资源。
• 应用：常用于实时系统和对响应时间要求较高的应用场景。

综上所述，不同的进程调度策略适用于不同的场景和需求。操作系统在选择调度策略时，需要根据实际情况进行权衡和选择，以最大化系统性能、响应时间和公平性。

产生死锁原因

产生死锁的原因可以归结为多个方面，主要包括资源竞争、进程推进顺序不当、信号量使用不当等。以下是对这些原因的详细解析：

一、资源竞争

• 资源不足：系统中拥有的不可剥夺资源（如磁带机、打印机等）数量不足以满足多个进程运行的需要。当多个进程同时请求这些资源时，如果资源的分配无法满足所有进程的需求，就可能导致进程因争夺资源而陷入僵局。
• 资源分配不当：资源分配策略不合理或执行不当时，也可能导致死锁。例如，如果系统没有正确地管理资源的分配和释放，就可能出现进程持有资源但不释放，而其他进程又需要这些资源的情况。

二、进程推进顺序不当

• 进程运行推进顺序与速度不同：进程在运行过程中，如果它们的推进顺序和速度不合适，也可能导致死锁。例如，两个进程P1和P2分别持有资源R1和R2，同时P1请求R2而P2请求R1。如果这两个请求的顺序和时机不当，就可能导致它们相互等待对方释放资源，从而陷入死锁。
• 进程间相互等待：进程间可能因为等待对方发来的消息或资源而陷入死锁。例如，进程A等待进程B的消息，而进程B又在等待进程A的消息，这样就形成了一个循环等待的局面，导致两个进程都无法继续执行。

三、信号量使用不当

• 信号量是一种用于进程间同步和互斥的工具。如果信号量的使用不当，如信号量的初始值设置不合理、信号量的操作顺序错误等，都可能导致死锁。
• 竞态条件：当多个进程同时对共享变量进行读写操作时，如果没有适当的同步机制来控制这些操作，就可能出现竞态条件。竞态条件可能导致数据不一致或死锁等问题。

四、其他因素

• 代码逻辑错误：程序中的逻辑错误也可能导致死锁。例如，一个进程在获取锁之前没有释放之前获取的锁，就可能导致死锁。
• 超时设置不合理：当超时设置不合理时，也可能导致死锁。例如，一个进程等待时间过长而没有释放锁，就可能导致其他进程无法获得锁而陷入死锁。

总结

产生死锁的原因多种多样，但主要可以归结为资源竞争、进程推进顺序不当、信号量使用不当等方面。为了避免死锁的发生，可以采取预防死锁、避免死锁、检测死锁和解除死锁等措施。这些措施包括破坏死锁产生的必要条件（如互斥条件、请求与保持条件、不可剥夺条件和循环等待条件）、使用合理的资源分配策略、设置合理的超时时间等。同时，在设计和实现并发程序时，还需要注意代码的逻辑正确性和同步机制的有效性，以避免因代码逻辑错误或同步机制不当而导致的死锁问题。

解决死锁方法

一、预防死锁

预防死锁的主要策略是破坏死锁产生的四个必要条件（互斥条件、请求与保持条件、不可剥夺条件和循环等待条件）中的至少一个。由于互斥条件通常无法破坏，因此主要关注其他三个条件：

1. 破坏请求与保持条件 ：
   • 一次性分配：要求每个进程在开始执行前一次性申请完它所需要的全部资源，仅当系统能满足进程的资源申请要求时，才一次性把资源分配给该进程，否则必须等待。这种方式简化了资源分配，但可能导致资源利用率降低。
   • 资源预分配：在进程运行前预先分配好资源，确保进程在运行过程中不会因为资源不足而阻塞。
2. 破坏不可剥夺条件 ：
   • 允许进程在其运行过程中因请求资源而阻塞时，将其已占有的资源释放给其他进程。但是，这种方法在实施时可能会遇到困难，因为进程可能会因为资源的突然丢失而导致数据不一致或其他问题。
3. 破坏循环等待条件 ：
   • 资源有序分配法：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，同类资源一次申请完。这样，即使存在多个进程申请多个资源，也不会形成循环等待链。

二、避免死锁

避免死锁是在资源分配过程中，通过一定的算法来动态地检测资源分配的安全性，以避免系统进入不安全状态。

1. 银行家算法 ：
   • 银行家算法是一种避免死锁的经典算法，它通过模拟资源分配过程来检查系统是否处于安全状态。如果系统处于安全状态，则分配资源；否则，不分配资源并等待一段时间后再试。
2. 资源分配图简化 ：
   • 维护一个资源分配图，表示系统中资源的分配情况。通过简化资源分配图（如删除已分配的资源边或添加新的进程节点），可以判断系统是否可能进入死锁状态。

三、检查死锁

检查死锁是在系统运行过程中，通过一定的机制来发现是否存在死锁现象。

1. 等待图分析 ：
   • 使用等待图（Wait-for Graph）来分析系统中的进程和资源之间的等待关系。如果图中存在循环，则说明可能存在死锁。
2. 资源分配图分析 ：
   • 通过检查资源分配图中是否存在环，可以判断系统是否处于死锁状态。
3. 死锁检测工具 ：
   • 使用专门的死锁检测工具（如Java的jconsole、jvisualvm等）来监视和分析系统的资源分配和进程等待情况，从而发现死锁。

四、解除死锁

一旦检测到死锁，就需要采取措施来解除死锁，使系统能够继续正常运行。

1. 资源剥夺 ：
   • 强制剥夺某些进程所占用的资源，并将其分配给其他进程。但是，这种方法需要谨慎使用，因为它可能会导致被剥夺资源的进程数据不一致或操作失败。
2. 进程终止 ：
   • 终止导致死锁的一个或多个进程，以释放它们所占用的资源。选择哪个进程终止可能取决于进程的优先级、资源占用情况等因素。
3. 回滚 ：
   • 将系统状态回滚到死锁发生前的某个时间点，以便重新分配资源并避免死锁。但是，这种方法可能会导致已完成的操作被撤销，从而增加系统的开销和复杂性。
4. 动态调整 ：
   • 在系统运行过程中动态地调整资源的分配和进程的执行顺序，以避免死锁的发生。这种方法需要系统具备较高的灵活性和响应能力。