OS1_进程与线程的管理-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了OS1_进程与线程的管理。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

序言

1.OS以进程、线程的方式在CPU中执行静态保存在外存(内存)中的程序，进程的构成与状态转化，特别是进程的切换；
2.当有多个进程处于就绪态，有哪些常见的挑选以执行方式；
3.并发执行(乱序发射)的进程，共享内存等资源，很可能修改其他程序的变量，需作同步处理来控制；此外有些资源如打印机不能共享，需作互斥处理；
4.进程在CPU中的执行顺序是难以预测的(时间片、各种故障等factor)

Question

程序分割成线程执行的代码怎么写？用进程管理程序实现，python如何可以实现多线程并行吗，如何实现？
为什么用户级线程中，1个线程因系统调用被阻塞会导致其他线程也被阻塞？

因为在大多数操作系统中，内核是单线程运行的，所以当一个线程被阻塞时，它会释放CPU资源。这将导致其他线程在等待CPU资源时也被阻塞，其他线程只能要么等待，无法保存现场（工作在用户层）再切换，produce block。
在内核级线程中，中断的保存/恢复现场为内核的功能，可以实现线程间的调度，且支持多处理机(多个内核级线程，每个可以运行在一个单独的处理机上)。
在组合方式中，
a. 用户进程的多个线程对应内核级的多个线程，用户1个线程系统调用的内核级线程A被阻塞，CPU可以切换到其他线程的不同内核级线程B；多核处理器可对应多个内核级线程；
b. 可以像用户态线程一样在用户态进行线程切换

系统动态DLL库是个玩意？

进程

进程是一段指令流，还是？process=PCB+data section+code section
PCB=处理器(时间片轮转比其他设备周期短，单成1列)+其他资源+进程控制与管理信息+PIDUUID
不同的进程是如何利用系统资源(IO，MM，CPU)的？
进程之间如何通信？进程如何运转？
通信方式的对比

共享存储只有OS提供存储空间和互斥工具(P(S),V(S))，数据的交换由用户实现

消息传递中进程通过发送和接受信息原语，数据交换由OS完成，网络中的通信就是由OS的网络部分完成的

管道通信=共享存储’s upgraded version，管道为半双工通信的存储区域，且写满buffer才会release，因此不会出现其他进程写而导致读取被阻塞的现象

另外有意思的是父进程与子进程的权限继承，进程的权限to a file comes from 用户标识和文件属性collaborative determination.

线程

线程是处理器调度与分配的基本单元
进程是除了处理器之外其他资源的分配单位——IO，MM的分配单元
进程分割为线程的猜测——线程=循环指令流中不交叉的最小块

进程调度

线程的调度类似，不过同一个进程的线程切换不用替换进程上下文，运行时间的算法需要更新(更复杂了)

  共享存储只有OS提供存储空间和互斥工具(P(S),V(S))，数据的交换由用户实现
  消息传递中进程通过发送和接受信息原语，数据交换由OS完成，网络中的通信就是由OS的网络部分完成的；
  管道通信的管道，为半双工通信的存储区域，因此不会出现进程阻塞的现象

OS1_进程与线程的管理,408,系统架构

同步与互斥

同步与互斥都围绕共享资源的使用：
1.对于那些只能被单独访问的共享资源，要做互斥处理；
2.对于那些可以被共享访问的资源，虽然RAR没问题，但RAW，WAR，WAW 均可能导致最终的共享资源结果不同，要作同步处理。
互斥可通过用户程序中使用API实现lock和release

数据库中，为了防止数据的脏读，需要给数据表或表项加上二阶段锁或S锁，
为什么要引入同步与互斥？——进程之间共享资源，不同进程并发执行，封闭性丧失，为了得到逻辑正确的结果。
临界资源：一次只能被1个进程访问的资源
临界区：访问临界资源的代码；
进入区：访问临界资源前，要把临界区的标志设置为正在访问；
退出区：将正在访问的临界区的signal清除；
剩余区：代码中的其余部分？
同步：如A和B通过缓冲区实现数据传送，缓冲区满了，A必须等待B读取数据，才能接着传送；缓冲区空，B必须等待A传入数据，才能接着传送；缓冲区相比于📫机制，再与缓冲区大小固定。
互斥：对临界资源的访问；而同步，是为了正确完成任务而协调工作次序；

互斥的实现

双标志互斥alg的问题是进程的线程乱序执行导致的，只有Peterson alg能在所有乱序执行保证同步的3大准则：
空则让进，忙则等待，有限等待，(让权等待)。

硬件实现——简单可靠，但不能实现让权等待，perform low efficiency

硬件实现有中断屏蔽和硬件指令2种方法：

中断屏蔽：关中断，临界区，开中断，那一个进程进入critical area其他进程不能交替执行
硬件指令方法：TestandSet或Swap原子操作

boolean TestandSet(boolean *lock){
	boolean old;
	old=*lock;
	*lock=true;
	return old;;
}
while TestandSet(&lock);
临界区
lock=false；
剩余区

postscript：只有lock==false（原先不被占用)，才能获得锁，并将lock置为ture
premium：TestandSetfunction必须为原子操作，不可分割，can be only accessed by one function，否则导致多进程同时占用lock，把这个设为一条指令，单CPU不会出现the scene.
comment:

为每个临界资源设置一个共享布尔变量
和下面的Swap都是互斥锁

Swap(boolean *a,boolean *b){
	boolean temp;
	temp=*a;
	*a=*b;
	*b=temp;
}
key=true;
while(key!=false)
	swap(&key,&lock);
临界区
lock=false
剩余代码

comment:

当lock=false（代表资源空闲），设置key=false，lock=ture，标识该进程独占临界资源；
swap和testandset其实是硬件原子操作，不可分，不会出现多个进程进入lock=false的swap函数，不会出现共用临界资源；
当lock=true，未得到临界资源的进程会一直while查询，占用处理机资源，不能实现让权等待；

software implement/enforcement

approach	defect	offended rule
单标志-turn	互斥两进程必须同时进入临界区	空闲让进
双标志先检查法	可能同时进入临界区	忙则等待
double-symbol examined later	flag1,2==true，无法进入临界区	有限等待
peterson(双标志+turn)	none
hardware command	一个指令进入临界区耗费处理机时间可能一直选不上	让权等待有限等待

review：peterson utilize turn to settle starvation phenomenon，double-symbol examined later to solve enter critical area simultaneously.

对比

实现临界区互斥的硬件方法和软件方法各有什么优势？

硬件方法的优势：
原子性操作：硬件方法通常使用特定的指令或硬件机制来实现原子操作，如原子交换（Atomic Exchange）或测试并设置（Test-and-Set）。这些操作在硬件级别上保证了操作的原子性(不会出现共用临界资源)，无需额外的软件开销。
性能：硬件方法通常比软件方法更高效，因为它们直接利用了硬件的特性，如高速缓存和并行处理能力。这使得硬件方法更适合于对性能要求较高的应用场景。

软件方法的优势：
可移植性：软件方法不依赖于特定的硬件指令或机制，因此更易于在不同的平台上实现和移植。这使得软件方法更具通用性，可以应用于不同类型的系统和架构。
灵活性：软件方法通常可以更灵活地实现复杂的同步机制，如信号量、条件变量等。这些机制提供了更多的控制和功能，可以满足不同线程同步需求。
容错性：软件方法可以在一些特殊情况下提供更好的容错性。例如，当硬件出现故障或不支持某些原子操作时，软件方法可以通过算法和复杂的同步机制来弥补。

需要注意的是，硬件方法和软件方法并不是互斥的选择，它们可以结合使用来提供更可靠和高效的同步机制。例如，硬件指令可以用于实现基本的原子操作，而软件方法可以用于构建更复杂的同步机制。选择何种方法取决于具体的应用需求、平台特性和性能要求。

临界区互斥的其他方法

mutually exclusive lock

acquire(){
	//锁被占用则等待
	while(available!=true)
		;	
	//锁空闲，占用后，将锁设为false
	available=false；
}
release(){	//释放锁
	available=true；
}

信号量（系统中的资源数目）mechanism

采用两个不可中断(为软件method，achieved by 屏蔽中断方法)的原语—wait和signal来管理
There are two signal realization mechanism as integral and record-type.

整形信号量

wait(S){	//请求资源
	while(S<=0)	；	//若没有资源，则等待
	S--;		//占用资源，S--
}
signal(S){
	S++;	//释放资源
}

Defect：wait在无资源可用，will continuously occupy cpu(conduct while query)，offend 让权等待

记录型信号量

S.value>0，表示可用的资源数目；
S.value<=0，标识阻塞的进程数目；
每种资源对应1个S

typedef struct{
	int value;
	struct process *L;
} semaphore(信号量);

请求资源

void wait(semaphore S){
	S.value--;	//S>0则资源数--;S<0则阻塞进程数++;
	if(S.value<0){	
		add this process to S.L;
		block(S.L);
	}
}

释放资源

voic signal(semaphore S){
	S.value++;	//资源数++或阻塞进程数--
	if(S.value<0){	//若为后者，唤醒该进程——资源来临
		remove process P from S.L;
		wakeup(P);
	}
}

Application of signal mechanism

同步

进程按照(资源的)特定顺序执行
each synchronous relationship is confered with an exclusive resource with num=1

semaphore S=0;
P1(){
	x;
	V(S);
	...
}
P2(){
	...
	P(S);
	y;
	...
}

further，用同步实现前驱关系——每个偏序关系用1个资源

S1(){
	V(a1);
}
S2(){
	P(a1);
	V(b1);V(b2);
}
...

分析同步、互斥、前驱关系，设置信号量，确定P,V

互斥—只有1个进程能进入临界区

P(S)请求资源；V(S)释放资源

semaphore S=1;
P1(){
	...
	P(S);
	critical area;
	V(S);
}
P2(){
	...
	P(S);
	critical area;
	V(S);
}

Note

in internal part of a process 不用set synchronous signal superfluously
sender are required to release entity (signal(S_x)) only，while receiver are requested to request (wait(S_x)) merely.

管程—信号量的封装类

背景：针对每个共享变量，所有使用变量都要设置P(),V()操作；
改进：每个共享资源，只要1个共享数据结构demo来管理；

管程=类，成员变量为共享资源的数目，成员函数为对共享资源的操作，如对互斥变量的take_away和release，

多个共享资源可以用记录型信号量表示，

不知道为什么要把条件变量单独拎出来，用来表示进程被阻塞的原因，

如果两个进程有先后关系，它们之间可以一个条件变量的lock和release，
互斥资源可以且应该用条件变量表示，就是整数型信号量

经典同步问题

Essence: 用信号量机制表示 1)互斥资源的访问；2)偏序关系

生产者、消费者

明明可以用num表示缓冲区的数目，为了符合P(锁),V(释放)的形式(值得唾弃)，

缓冲区为互斥资源，expressed as mutex；
缓冲区的单元为一种资源，为什么消费者和生产者不share一种资源?
消费者需要的是满的块，producer需要的是空的块，故用两种资源full and empty表示
只有consumer之间与producer之间才公用一种资源，用signal(full)和wait(full) to describe competitive relation；