作業系統（二）—— 程序管理
二、程序管理
1. 程序與執行緒
1）程序的概念與特徵
① 概念：程序(程序實體) = 程式段 + 資料段 + PCB，PCB是程序存在的唯一標誌
② 定義：程序是程式的一次執行過程。程序是程序實體的執行過程，是系統進行資源分配和排程的一個獨立單位。
③ 特徵：動態性、併發性、獨立性、非同步性、結構性
【考點】程序是能獨立執行、系統資源分配的最小單位
2） 程序的狀態與轉換
3） 程序控制
對系統中的所有程序的管理——實現程序轉換
4） 程序的組織
① 連結方式
② 索引方式
5） 程序的通訊
① 概念：程序是相互獨立的，一個程序不能直接訪問另一個程序的地址空間，實現程序之間進行資訊交換就是程序通訊。
② 通訊方式：
6） 執行緒概念和多執行緒模型
① 執行緒是什麼？ ——輕量級“程序”
② 執行緒的屬性：
③ 執行緒的實現方式
使用者級執行緒：由應用程式管理，作業系統看不到
核心級執行緒：由作業系統管理
【注】核心級執行緒才是處理機分配的單位
④ 多執行緒模型：
多對一：多個使用者級執行緒對映到一個核心級執行緒
一對一：一個使用者級 對應 一個核心級
多對多：n個使用者級 對映到 m個核心級
2. 處理機排程
1）基本概念
程序數量往往大於處理機個數，為了更好地處理程序間的競爭，引入了處理機排程機制。
**2）三個層次
**
3）三層排程的聯絡和對比
作業排程為程序活動做準備，記憶體排程將暫時不能執行的程序掛起，程序排程使程序正常活動起來。
4）程序排程的時機
① 需要排程的時機：
a. 主動放棄處理機：程序正常終止、執行異常而終止、主動請求阻塞（I/O）
b. 被動放棄處理機：時間片用完，處理機資源被搶佔
② 不能進行排程：
a. 處理中斷的過程中
b. 作業系統核心程式臨界區
c. 原子操作期間
5）程序排程的切換
【注】程序的切換和排程是有代價的
6）程序排程的方式
① 非搶佔式 —— 早期的批處理系統
② 搶佔式 —— 分時作業系統、實時作業系統
7）排程演算法的評價指標
8）排程演算法
適用於批處理作業系統：
① 先來先服務（FCFS）
a. 演算法思想：“公平”，排隊
b. 演算法規則：按照作業/程序的先後順序服務
c. 用於作業/程序排程：都可以用
d. 是否可搶佔：非搶佔式
e. 優缺點：演算法簡單、公平，但是效率低；有利於長作業，不利於短作業；有利於CPU繁忙型作業，不利於IO繁忙型作業。
f. 是否會導致飢餓：不會
② 短作業優先（SJF）
a. 演算法思想：追求最少的平均等待時間、最少的平均週轉時間、最少的平均帶全週轉時間
b. 演算法規則：已到達的最短的作業/程序優先得到服務（服務時間最短）
c. 用於作業/程序排程：都可以用，用於程序時叫“短程序優先(SPF)”
d. 是否可搶佔：SJF和SPF是非搶佔式，但是也有搶佔式版本的——最短剩餘時間優先演算法
e. 優缺點：優點：“最短的”平均等待時間、平均週轉時間；缺點：不公平，對短作業有利，長作業不利，有可能飢餓現象；作業長短由使用者確定，可能出現不準確。
f. 是否會導致飢餓：會，甚至餓死
③ 高響應比優先（HRRN）
a. 演算法思想：綜合考慮作業/程序的等待時間和要求服務的時間
b. 演算法規則：每次排程時，先計算各個作業或程序的響應比，選擇響應比最高的作業/程序服務。 響應比 = (等待時間+要求服務時間) / 要求服務時間
c. 用於作業/程序排程：都可以
d. 是否可搶佔：非搶佔式
e. 優缺點：
i. 綜合考慮了等待時間和執行時間（要求服務時間）
ii. 等待時間相同時，要求服務時間短的優先（SF 的優點）
iii. 要求服務時間相同時，等待時間長的優先（FCFS 的優點）
f. 是否會導致飢餓：不會
適用於互動式系統：
④ 時間片輪轉排程演算法
a. 演算法思想：公平的、輪流地為各個程序服務，時間片
b. 演算法規則：分配時間片，用完了就重新進入佇列
c. 用於作業/程序排程：用於程序排程
d. 是否可搶佔：搶佔式，由時鐘中斷來通知CPU時間片已結束
e. 優缺點：公平、響應快，適用於分時作業系統；高頻率切換程序會有一定的開銷；不區分任務緊急程度
f. 是否會導致飢餓：不會
⑤ 優先順序排程演算法
a. 演算法思想：很多場景需要根據任務的緊急程度來決定處理順序，常用於實時作業系統
b. 演算法規則：優先順序高的先執行
c. 用於作業/程序排程：都可以，還可以用於I/O排程
d. 是否可搶佔：搶佔式、非搶佔式都有
e. 優缺點：用優先順序劃分排程，適用於實時作業系統，可靈活調整任務的偏好程度；如果有很多的高優先順序進來，可能導致飢餓。
f. 是否會導致飢餓：會的
⑥ 多級反饋佇列排程演算法
a. 演算法思想：對其他演算法折中權衡
b. 演算法規則：
c. 用於作業/程序排程：用於程序排程
d. 是否可搶佔：搶佔式
e. 優缺點：
f. 是否會導致飢餓：不會
3. 程序同步
1）概念
① 同步：為完成某個任務而簡歷的兩個或多個程序
② 互斥：當一個程序訪問臨界資源時，另一個程序必須等待，當訪問結束後，另一個才能訪問。
③ 臨界資源：一次只能為一個程序服務的資源，如印表機、攝像頭等
2）程序互斥的軟體實現方法
① 單標誌法
a. 演算法思想：兩個程序訪問臨界資源結束後，會把使用臨界區的許可權轉交給另一個程序。
b. 優點：可以實現“同一時刻最多隻允許一個程序訪問臨界區”
c. 侷限性：如果一個程序拿到鎖，但是一直不進入，一直等待。違背“空閒讓進”原則
② 雙標誌先檢查法
a. 演算法思想：每個程序進入臨界區之前先檢查當前臨界區有沒有其他程序，用一個boolean陣列存放每個程序的狀態(鎖標誌)。
b. 優點：不會出現一直等待問題
c. 侷限性：因為是併發執行，可能多個程序同時進入臨界區。違背“忙則等待”原則。
③ 雙標誌後檢查法
a. 演算法思想：在演算法②的邏輯，改為先加鎖，再檢查。
b. 優點：解決了“忙則等待”問題。
c. 侷限性：併發執行，可能會導致都進入不了，程序餓死了。違背了“空閒讓進”、“有限等待”原則
④ Peterson 演算法
a. 演算法思想：如果多個程序都想進入臨界區，就讓他們“孔融讓梨”。
b. 優點：滿足 空閒讓進、忙則等待、有限等待。
c. 侷限性：未遵循讓權等待原則。
3）程序互斥的硬體實現方法
① 中斷遮蔽
a. 優點：簡單高效
b. 侷限性：不適用於多處理機、只適用於作業系統核心程序（因為開/關中斷指令只能執行在核心態）
② 硬體指令：
指令：TestAndSet指令(TSL指令或TS指令)、Swap指令
4）訊號量機制
4）訊號量機制實現互斥、同步、前驅關係
5）生產者消費者問題（同步互斥問題）
① 問題描述：生產者每次生產一個產品放入緩衝區，消費者每次從緩衝區拿一個產品並使用，緩衝區滿了不能再生產，緩衝區空了不能再拿。
【注】這裡的緩衝區應該是臨界資源，各程序之間應該互斥訪問，以保證緩衝區中的資料安全（避免覆蓋、多拿問題）。
【考點】實現互斥必須在實現同步的兩個P操作之後，否則會死鎖
6）吸菸者問題（互斥問題）
7）讀者-寫者（互斥問題）
① 兩個及以上的讀程序 不需要互斥
② 讀 和 寫程序需要互斥
③ 兩個及以上的寫程序 需要互斥
8）哲學家進餐問題
9）管程
類似於 Java中的 類，將執行過程封裝到方法中了。
4. 死鎖
1）死鎖的概念
① 什麼是死鎖？
併發環境下，各個程序相互等待對方手裡的資源，無法向前推進。
② 程序死鎖、飢餓、死迴圈的區別
死鎖：併發環境下，各個程序相互等待對方手裡的資源，無法向前推進。
飢餓：某個程序由於長期得不到想要的資源，程序無法推進。
死迴圈：某程序執行過程中一直跳不出去某個循。
③ 死鎖產生的必要條件（四個）
a. 互斥條件：只有對必須互斥使用的資源的爭搶才會出現死鎖。
b. 不可剝奪條件：程序所獲得的資源沒使用完之前，不能由其他程序強行剝奪，只能由其主動釋放。
c. 請求和保持條件：程序持有了至少一個資源的情況下又提出了新的資源請求，新的資源請求得不到滿足，也不釋放已有的資源。
d. 迴圈等待條件：存在一種程序資源等待鏈，鏈中的每一個程序已獲得的資源被下一個程序所請求。
④ 什麼時候會產生死鎖
a. 競爭不可剝奪的系統資源
b. 程序推薦順序非法
c. 訊號量的使用不當
⑤ 死鎖的處理策略
a. 預防死鎖 —— 破壞死鎖的四個必要條件之一
b. 避免死鎖 —— 用某種方法防止系統進入不安全狀態從而避免死鎖，如銀行家演算法
c. 死鎖的檢測和解除 —— 允許死鎖的發生，但是會檢測處理並解除
2）死鎖預防
① 破壞互斥條件
偶爾可以破壞，如SPOOLing技術解決印表機互斥問題，很多時候都不能破壞，甚至要保護。
② 破壞不可剝奪條件
方案一：程序請求新的資源得不到滿足時，釋放持有的資源
方案二：某個程序需要一個被其他程序佔用的資源時，由作業系統協助，強行剝奪
缺點：實現複雜；增加系統開銷；可能導致飢餓；僅適用於易儲存/恢復狀態的資源，如CPU
③ 破壞請求和保持條件
靜態分配方法：程序執行前一次性申請所需要全部的資源
缺點：資源利用率低(資源用得不多，但要一直保持)，可能引起飢餓(有的資源一直不到位)。
④ 破壞迴圈等待條件
順序資源分配法：規定每個程序必須按編號遞增的順序請求資源，同編號資源一次申請完。（先持有小編號—> 才能申請大編號的資源）
缺點：不方便新增裝置；程序實際使用資源與遞增順序不一樣，資源浪費；必須按照順序申請，程式設計麻煩。
3）死鎖避免
原理：每一次資源分配時，用銀行家演算法檢測，保證系統處於安全狀態。
① 安全序列：如果系統按照一種序列分配資源，能保證每個程序都順利完成，那麼這個序列就是安全序列。
② 安全狀態：能找到任何一個安全序列，就是安全狀態
【注】安全狀態一定不會發生死鎖，非安全狀態不一定會發生死鎖。
③ 銀行家演算法：資源分配之前判斷這次分配是否會導致系統進入不安全狀態，如果會進入，就讓執行緒阻塞。
4）死鎖檢測和解除
① 檢測死鎖
資源分配圖，能消除所有的邊，則稱這個圖是可完全簡化的，此時一定沒有發生死鎖；不能全部消除，則此時一定發生了死鎖，且連著邊的節點就是發生死鎖的程序。
② 死鎖解除
a. 資源剝奪法
b. 撤銷程序法（終止程序法）
c. 程序回退法