处理器管理

计算机漫游

ps：大家可以先去看看上面文章里对操作系统的解释，对操作系统有一个大概的了解。

处理器管理

1. 进程

进程/线程？并发/并行？

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2. 进程调度

2.1.调度层次

• 高级调度（作业调度、长程调度）

  在多道批处理操作系统环境下，从输入系统的一批作业中，按照预定的调度策略挑选若干作业进入内存，

  为其分配资源并创建相应的用户进程。

  作业：用户提交给操作系统计算的一个独立任务，生命周期（输入、后备、执行、完成）。

• 中级调度（平衡调度、中程调度）

  根据内存资源情况决定内存中能容纳的进程数目，并完成进程内外存对换工作。

• 低级调度（进程/线程调度、短程调度）

  根据某种规则决定就绪队列中哪个进程/线程获得处理器，并将处理器分配给它使用。

  ps：低级调度是各类操作系统必备的功能。

作业与进程的关系

作业是任务实体，进程是完成任务的执行实体。没有作业，进程无事可做；没有进程，作业无法完成。

2.2.低级调度的基本类型

• 抢占式（剥夺式）：高优先级进程可以剥夺低优先级进程；或者在运行时间片到的时候可以剥夺。
• 非抢占式（非剥夺式）：一旦进程或线程占用CPU，则不再让出CPU直到进程运行结束或主动放弃CPU。

2.3.进程调度算法

1. 先到先服务算法（非抢占式）------ FCFS

   先请求CPU的进程被首先分配到CPU。

2. 最短作业优先算法（非抢占式）------ SJF

   以进入系统的作业所要求的CPU时间为标准，总选取估计计算时间最短的作业投入运行。

3. 最短剩余时间优先算法（抢占式）------ SRJF

   一个新作业进入就绪状态，如果新作业需要的CPU时间比当前正在执行的作业剩余下来还需的CPU时间短，

   SRJF强行赶走当前正在执行的作业。

4. 响应比最高者优先算法（非抢占式）------ HRRF

   介于FCFS与SJF两者之间的折中算法，既考虑作业等待时间，又考虑作业的运行时间。
   响应比 = 1 + 已等待时间/估计运行时间

5. 优先级调度算法（抢占式/非抢占式）------ HPF

6. 时间片轮转调度算法（抢占式）------ RR

   调度程序每次把CPU分配给就绪队列首进程使用一个时间片，就绪队列中的每个进程轮流地运行一个时间片。

   当这个时间片结束时，强迫一个进程让出处理器，让它排列到就绪队列的尾部，等待下一轮调度。

7. 多级反馈列队调度（抢占式）------ MLFQ

   （又称反馈循环队列或多队列策略）

   系统多个就绪进程队列，较高优先级的队列一般分配给较短的时间片 。

   处理器调度先从高级就绪进程队列中选取可占有处理器的进程，

   只有在选不到时，才从较低级的就绪进程队列中选取。

ps：除了RR和MLFQ只能用于进程调度，其它调度算法在进程调度和作业调度均适用。

下面来应用一下：

ps：周转时间就是到达时间到结束时间 的时间间隔（在系统里的等待时间与运行时间之和）

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3. 进程同步与互斥

3.1. 临界区与互斥

在并发编程中，临界区 （Critical Section）是指一个程序中仅允许 一个线程 或 进程 访问的代码片段。这些代码通常会访问 共享资源 ，比如内存、文件、数据库等。当多个线程或进程试图同时访问这些共享资源时，可能会导致数据不一致或其他并发问题。因此，需要一种机制来确保在任何时候，保证在 一个时刻只有一个线程或进程 能够访问 临界区 的代码。

这种机制就叫做 互斥：

互斥 （Mutual Exclusion）是计算机科学中一种用于 防止 多个进程或线程同时访问共享资源或 临界区 的机制。其主要目标是避免资源竞争和数据不一致的问题。互斥保证在任何时刻，最多只有 一个线程或进程 可以访问特定的共享资源，从而确保数据的完整性。

3.2. 互斥

实现 互斥 的方法主要包含如下几种：

方法	说明
软件互斥	依赖算法和程序设计来确保 临界资源 的独占
硬件互斥	使用CPU指令集中的 原子指令 来实现 临界资源 的独占
锁	操作系统提供的API，软件直接调用即可实现资源的独占
信号量	操作系统提供的API，可以使用 信号量 来实现锁的功能

3.3. 同步

同步是指多个 线程 为了协同完成某项任务，必须按照一定的顺序执行操作。它主要解决 线程 之间在执行过程中如何协调的问题，确保它们以预期的时序进行交互与合作。

互斥和同步的关系？

互斥是 同步 的一种特例，它用于保证多个 线程 在访问共享资源时不会发生冲突，即在同一时刻最多只有一个 线程 可以访问该资源。

同步的范畴更广，不仅包括 互斥 控制，还包括 线程 之间的顺序协调、条件等待、信号传递等机制。

简单来说：

• 互斥：解决"同一时刻只能有一个 线程 访问共享资源"的问题；
• 同步：解决" 线程 之间需要按照某种顺序协同执行"的问题。

信号量 （Semaphore）是一个 同步原语，相比 锁 ，信号量可以解决一些更加复杂的同步问题。

在逻辑上我们将 信号量 理解为一个整数计数值，用于表示可用资源的数量。

信号量提供两个 原子操作：

操作	作用	关键步骤
P（wait）	申请资源	1. 信号量-1； 2. 信号量>=0 → 继续； 3. 信号量<0 → 阻塞
V（signal）	释放资源	1. 信号量+1； 2.信号量>0 → 继续； 3. 信号量<=0 → 唤醒一个阻塞线程

3.4. 信号量应用

• 实现锁
  当 信号量 的初始值为 1 时，可以把 信号量 当作 锁 使用：

  semaphore mutex = 1;
  P1() {
  	P(mutex);
  	// critical section（临界区：独占资源）
  	V(mutex);
  }
  
  P2() {
  	P(mutex);
  	// critical section
  	V(mutex);
  }

• 实现简单同步
  下述的代码，可以保证执行完 P1 中的 code1 之后，才会执行 P2 中的 code2：

  semaphore s = 0;    // 将信号量的初始值设置为 0
  P1() {
  	code1;    // 先执行 code1
  	V(s);     // 告诉线程 P2，code1 已经完成
  	...
  }
  
  P2() {
  	...
  	P(s);    // 检查 code1 是否完成
  	code2;    // 检查无误，运行 code2
  }

3.5. 经典同步问题

下面是对一些同步问题的解析及相关代码：
经典同步问题

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4. 死锁

4.1. 死锁的状态

上图中的进程就处于 死锁状态 。每个进程都既要又要，持有的不释放，想要的也得不到，也不允许其他进程去抢占自己所占有的，所有的进程和资源之间组成一个 循环链条。以上这些特点决定了系统进入了死锁状态。

4.2. 死锁产生的必要条件

只有以下四个条件同时满足，死锁 才会发生：

1. 互斥条件（Mutual Exclusion）: 指的是至少有一个资源必须处于非共享模式，也就是说，一次只有一个进程可以使用资源。如果其他进程请求该资源，那么请求的进程必须等到该资源的持有者释放该资源。
2. 占有并等待（Hold and Wait）: 指的是一个进程因请求资源而阻塞时，对当前获得的资源保持不放。换句话说，进程至少已经持有一个资源，但又申请新的资源；由于其他进程持有这些资源，所以它现在是阻塞的。
3. 非抢占（No Preemption）: 资源不能被抢占，也就是说，只有资源的持有者才可以释放它。资源在完全自愿的基础上被释放，不能被强行从持有进程中夺走。
4. 循环等待（Circular Wait）：存在一个进程资源的等待链，链中的每一个进程都在等待下一个进程所持有的资源。这导致了一个循环的等待链。

为了 避免死锁 ，需要 破坏 上述的任意一个条件。

4.3. 死锁避免

死锁避免 是系统级的算法，需要对系统的资源和实体进行抽象，进行统筹规划，其中最经典的算法是 银行家算法。

4.4. 死锁的检测和删除

为了能对系统是否已发生了 死锁 进行检测，必须：

1. 用某种数据结构来保存资源的请求和分配信息：
2. 提供一种算法，利用上述信息来检测系统是否已进入 死锁 状态。

一般来说，一种简单的建模方式是使用 资源分配图：

• 将系统中的所有资源和进程表示为图中的节点。
• 如果进程 P1 请求资源 R1，绘制从 P1 到 R1 的有向边。
• 如果资源 R1 分配给了进程 P2，绘制从 R1 到 P2 的有向边。

在构建完 资源分配图 ，可以通过使用 DFS 检查图中是否存在环路以判断是否存在 死锁。

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