程序和程式的本質區別在於動態和靜態特徵

系統中感知程序的唯一實體是PCB（程序控制塊，process control block）

程序和執行緒的區別：

程序是執行中的程式，一個程序中包含若干執行緒，它們共享程序所擁有的資源。在OS中，程序是分配資源的基本單位，執行緒是獨立執行和獨立排程的基本單位，執行緒比程序要小，基本上不擁有系統資源，因此排程的開銷也更小。執行緒和程序的區別在於，子程序和父程序之間有不同的程式碼和資料空間，而執行緒則共享其所屬程序的資料空間。

總結：（1）就地址空間和其它資源而言，程序之間相互獨立，而同一程序的各執行緒間共享，某一程序的執行緒在其他程序中不可見。（2）就通訊而言，程序間通訊IPCI(Inter-Process Communication)通過作業系統，執行緒間可以直接讀寫程序資料段（如全域性變數）來進行通訊——需要程序同步和互斥手段的輔助，以保證資料一致性。（3）就排程和切換，執行緒上下文切換比程序上下文切換快得多。

程序狀態轉換：①執行②就緒③阻塞

執行：當一個程序在處理器上執行時，稱其為執行狀態，對於單處理器系統來說，處於執行狀態的程序只有一個。在沒有其他程序可執行時（比如所有程序都處於阻塞狀態），通常會自動執行系統的空閒程序。

就緒：當一個程序獲得了除處理器以外的一切所需資源，一旦得到處理器就可執行，稱之為就緒。就緒程序可以按照優先順序來劃分佇列，比如，當一個程序由於時間片用完而進入就緒狀態時，排入低優先順序佇列，當程序由I/O 操作完成而進入就緒狀態時，處於高優先順序佇列

阻塞：也稱等待或睡眠，即一個程序正在等待某一事件的發生（例如請求I/O而等待I/O 完成）而暫時停止執行，這樣即使把處理器分配給程序也無法執行，故稱之為阻塞。

一次只能被一個程序所佔用的資源就是所謂的臨界資源。典型的臨界資源比如物理上的印表機，或是存在硬碟或記憶體中被多個程序所共享的一些變數和資料等(如果這類資源不被看成臨界資源加以保護，那麼很有可能造成丟資料的問題)。

（1）      程序同步-程序之間的合作（比如程序B需要從緩衝區讀取程序A的資訊，當緩衝區為空時，因為程序B讀不到資訊而阻塞，當程序A產生資訊放入緩衝區時，程序B才被喚醒）

（2）      程序互斥-程序之間的制約（當一個程序A進入臨界區使用臨界資源，另一個程序B必須等待，只有當前臨界資源被A釋放後，B才能解除阻塞狀態）

實現臨界區互斥的基本方法

硬體實現方法

通過硬體實現臨界區最簡單的辦法就是

還有硬體的指令實現方式，這個方式和接下來要說的訊號量方式如出一轍。但是通過硬體來實現，這裡就不細說了。

訊號量實現方式

這也是我們比較熟悉P V操作。通過設定一個表示資源個數的訊號量S，通過對訊號量S的P和V操作來實現程序的的互斥。

   P和V操作分別來自荷蘭語Passeren和Vrijgeven，分別表示佔有和釋放。P V操作是作業系統的原語，意味著具有原子性。

   P操作首先減少訊號量，表示有一個程序將佔用或等待資源，然後檢測S是否小於0,如果小於0則阻塞，如果大於0則佔有資源進行執行。

   V操作是和P操作相反的操作，首先增加訊號量，表示佔用或等待資源的程序減少了1個。然後檢測S是否小於0，如果小於0則喚醒——等待使用S資源的其它程序。

一些經典利用訊號量實現同步的問題

生產者--消費者問題

問題描述:生產者-消費者問題是一個經典的程序同步問題，該問題最早由Dijkstra提出，用以演示他提出的訊號量機制。本作業要求設計在同一個程序地址空間內執行的兩個執行緒。生產者執行緒生產物品，然後將物品放置在一個空緩衝區中供消費者執行緒消費。消費者執行緒從緩衝區中獲得物品，然後釋放緩衝區。當生產者執行緒生產物品時，如果沒有空緩衝區可用，那麼生產者執行緒必須等待消費者執行緒釋放出一個空緩衝區。當消費者執行緒消費物品時，如果沒有滿的緩衝區，那麼消費者執行緒將被阻塞，直到新的物品被生產出來

這裡生產者和消費者是既同步又互斥的關係，首先只有生產者生產了，消費著才能消費，這裡是同步的關係。但他們對於臨界區的訪問又是互斥的關係。因此需要三個訊號量empty和full用於同步緩衝區，而mut變數用於在訪問緩衝區時是互斥的。

讀者--寫者問題

問題描述:

一個數據檔案或記錄，統稱資料物件，可被多個程序共享，其中有些程序只要求讀稱為"讀者"，而另一些程序要求寫或修改稱為"寫者"。

規定:允許多個讀者同時讀一個共享物件，但禁止讀者、寫者同時訪問一個共享物件，也禁止多個寫者訪問一個共享物件，否則將違反Bernstein併發執行條件。

通過描述可以分析，這裡的讀者和寫者是互斥的，而寫者和寫者也是互斥的，但讀者之間並不互斥。

由此我們可以設定3個變數，一個用來統計讀者的數量，另外兩個分別用於對讀者數量讀寫的互斥，讀者和寫著，寫者和寫者的互斥。

哲學家進餐問題

問題描述:

有五個哲學家，他們的生活方式是交替地進行思考和進餐。哲學家們公用一張圓桌，周圍放有五把椅子，每人坐一把。在圓桌上有五個碗和五根筷子，當一個哲學家思考時，他不與其他人交談，飢餓時便試圖取用其左、右最靠近他的筷子，但他可能一根都拿不到。只有在他拿到兩根筷子時，方能進餐，進餐完後，放下筷子又繼續思考。

根據問題描述,五個哲學家分別可以看作是五個程序。五隻筷子分別看作是五個資源。只有當哲學家分別擁有左右的資源時，才得以進餐。如果不指定規則，當每個哲學家手中只拿了一隻筷子時會造成死鎖，從而五個哲學家都因為吃不到飯而餓死。因此我們的策略是讓哲學家同時拿起兩隻筷子。因此我們需要對每個資源設定一個訊號量，此外，還需要使得哲學家同時拿起兩隻筷子而設定一個互斥訊號量。

死鎖：在多個程式同時執行的情況下，多個程序之間可能出現競爭一定數量的資源，若某個程序申請資源，則此時資源不可用，那麼即將進入等待狀態，如果所申請的資源被其他等待程序所佔有，那麼該程序有可能永遠處於等待狀態而無法改變狀態。——這就是死鎖情況。

產生死鎖的原因是：

(1)    因為系統資源不足

(2)    程序執行推進的順序不合適

(3)    資源分配不對等

產生死鎖的四個必要條件是：

（1）      互斥條件，一個資源每次只能被一個程序使用,如果有另一個程序申請該資源，那麼申請程序必須等到該資源被釋放為止。

（2）      請求與保持條件（佔有並等待），一個程序必須佔有至少一個資源，並等待另一為其他程序所佔有的資源

（3）      不剝奪條件（非搶佔）），程序已獲得的資源，在未使用完之前，不能強行剝奪，只能在程序完成任務和自動釋放

（4）      迴圈等待條件，若干程序之間形成的一種頭尾相接的迴圈等待資源關係，例如有一組等待程序{p0,p1,p2,p3,p4}, p0 等待的資源為p1所佔有，p1 等待的資源為p2所佔有，p2等待的資源為p3所佔有，p3 等待的資源為p4所佔有，而p4 等待的資源為P1 所佔有。

無論static還是非static的全域性變數，不加限制隨意訪問都可能出現同步問題；

無論static還是非static的區域性變數，每個執行緒都是私有的，其他的執行緒不會對其進行干擾，因此不會出現同步問題。

有5個可用的某類資源，由四個程序共享，每個程序最多可申請（？）個資源，使系統不死鎖？

設臨界資源為m, 共享程序為n個，每個程序最多可以申請x個資源，則

當m>n 時，m>n(x-1) 使系統不死鎖，當m<n 時，x=1;

因此x=2;

解決死鎖的基本方法：

預防死鎖：

資源一次性分配：（破壞請求和保持條件）

可剝奪資源：即當某程序新的資源未滿足時，釋放已佔有的資源（破壞不可剝奪條件）

資源有序分配法：系統給每類資源賦予一個編號，每一個程序按編號遞增的順序請求資源，釋放則相反（破壞環路等待條件）

避免死鎖:

預防死鎖的幾種策略，會嚴重地損害系統性能。因此在避免死鎖時，要施加較弱的限制，從而獲得 較滿意的系統效能。由於在避免死鎖的策略中，允許程序動態地申請資源。因而，系統在進行資源分配之前預先計算資源分配的安全性。若此次分配不會導致系統進入不安全狀態，則將資源分配給程序；否則，程序等待。其中最具有代表性的避免死鎖演算法是銀行家演算法。

檢測死鎖

首先為每個程序和每個資源指定一個唯一的號碼；

然後建立資源分配表和程序等待表，例如：

解除死鎖:

當發現有程序死鎖後，便應立即把它從死鎖狀態中解脫出來，常採用的方法有：

剝奪資源：從其它程序剝奪足夠數量的資源給死鎖程序，以解除死鎖狀態；

撤消程序：可以直接撤消死鎖程序或撤消代價最小的程序，直至有足夠的資源可用，死鎖狀態.消除為止；所謂代價是指優先順序、執行代價、程序的重要性和價值等。