软考-系统分析师

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软考

操作系统

进程与线程

  • 在操作系统中进程是进行系统资源分配、调度和管理的最小单位。
    • PCB（process control block）是进程存在的唯一标志， PCB 描述了进程的基本情况。其中的内容可分成为调度信息和执行信息两大部分。
    • 进程的生命周期可以刻画为不同的状态，并分为三态模型和五态模型。
  • 线程是进程的活动成分，是处理器分配资源的最小单位，它可以共享进程的资源与地址空间，通过线程的活动，进程可以提供多种服务〈对服务器进程而言）或实行子任务并行（对用户进程而言）。每个进程创建时只有一个线程，根据需要在运行过程中创建更多的线程〈前者也可称主线程）。显然，只有主线程的进程才是传统意义下的进程。
    • 内核负责线程的调度，线程的优先级可以动态地改变。采用线程机制的最大优点是节省开销，传统的进程创建子进程的办法中，内存开销大，而且创建时间也长。
    • 多线程实现的并行避免了进程问并行的缺点：创建线程的开销比创建进程要小，同一进程的线程共享进程的地址空间，所以线程切挟（处理器调度）比进程切换快。

PV操作

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定义

  • PV操作是一种实现进程互斥与同步的有效方法。PV操作与信号量的处理相关。P（passeren）通过，理解为申请资源，V（vrijgeven）释放，理解为释放资源。
  • P操作的主要动作是：
    • ①S减1；（申请资源，资源量减一）
    • ②若S减1后仍大于或等于0，则进程继续执行；
    • ③若S减1后小于0，则该进程被阻塞后放入等待该信号量的等待队列中，然后转进程调度。
  • V操作的主要动作是：
    • ①S加1；（释放资源，资源量加一）
    • ②若相加后结果大于0，则进程继续执行；
    • ③若相加后结果小于或等于0，则从该信号的等待队列中释放一个等待进程，然后再返回原进程（调用v的进程）继续执行或转进程调度。
  • PV操作对于每一个进程来说，都只能进行一次，而且必须成对使用（申请资源用P，释放资源用V）。在PV原语执行期间不允许有中断发生。原语不能被中断执行，因为原语对变量的操作过程如果被打断，可能会去运行另一个对同一变量的操作过程，从而出现临界段问题。如果能够找到一种解决临界段问题的元方法，就可以实现对共享变量操作的原子性。
  • 相关推论
    • 推论1：若信号量S为正值，则该值等于在阻塞进程之前对信号量S可施行的P操作数，亦即等于S所代表的实际还可以使用的物理资源数。
    • 推论2：若信号量s为负值，则其绝对值等于登记排列在该信号量S等待队列之中的进程个数，亦即恰好等于对信号量S实施P操作而被阻塞并进入信号量S等待队列的进程数。
    • 推论3：通常，P操作意味着请求一个资源，V操作意味着释放一个资源。在一定条件下，P操作代表阻塞进程操作，而V操作代表唤醒被阻塞进程的操作。

应用

进程的同步与互斥

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1. 进程同步
(1)调用P操作测试消息是否到达
　　任何进程调用P操作可测试到自己所期望的消息是否已经到达。若消息尚未产生，则S=0，调用P(s)后，P(S)一定让调用者成为等待信号量S的状态，即调用者此时必定等待直到消息到达；若消息已经存在，则S≠0，调用P(S)后，进程不会成为等待状态而可继续执行，即进程测试到自己期望的消息已经存在。
(2)调用V操作发送消息
　　任何进程要向其他进程发送消息时可调用V操作。若调用V操作之前S=0，表示消息尚未产生且无等待消息的进程，则调用V(S)后，V(s)执行S:=S+1使S≠0，即意味着消息已存在；若调用V操作之前S<0，表示消息未产生前已有进程在等待消息，则调用V(S)后将释放一个等待消息者，即表示该进程等待的消息已经到达，可以继续执行。
　　在用PV操作实现同步时，一定要根据具体的问题来定义信号量和调用P操作或V操作。一个信号量与一个消息联系在一起，当有多个消息时必须定义多个信号量；测试不同的消息是否到达或发送不同的消息时，应对不同的信号量调用P操作或V操作。

2. 进程互斥
(1)设立一个互斥信号量S，表示临界区，其取值为1，0，-1，…其中，S=1表示无并发进程进入S临界区；S=0表示已有一个并发进程进入了S临界区；S等于负数表示已有一个并发进程进入S临界区，且有|S|个进程等待进入S临界区，S的初值为1。
(2)用PV操作表示对S临界区的申请和释放。在进入临界区之前，通过P操作进行申请，在退出临界区之后，通过V操作释放。

生产者与消费者

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死锁

  • 产生原因：多个进程的循环等待
  • 必要条件：互斥条件，不可抢占条件，保持与等待条件（部分分配条件）、循环等待条件
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    - 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用。
    - 保持与等待条件：有一个进程已获得了一些资源，但因请求其他资源被阻塞肘，对已获得的资源保持不放。
    - 不可抢占条件：有些系统资源是不可抢占的，当某个进程已获得这种资源后，系统不能强行收回，只能由进程使用完时自己释放。
    - 循环等待条件：若干个进程形成环形链，每个都占用对方要申请的下一个资源。
  • 破坏任一条件，死锁不成立
  • 解决策略