操作系统原理--进程线程
概述
顺序程序：顺序性，封闭性，可再现性（只与初始条件有关）
并发程序：描述：cobegin，coend
特点：并发性，程序与计算不一一对应，程序之间相互制约（资源占用，公共变量...)，不封闭，不可再现（输出依赖于哪个程序先执行完）
进程：程序的一次运行过程 。动态，独立运行，会竞争系统资源，程序和进程存在m对n的关系。
区别于程序的静态概念，cpu按照既定的程序去执行，形成一个进程
进程的状态：运行状态、等待状态（等前置事件完成）、就绪状态（等CPU控制权）
状态切换：
Notice：运行态---->就绪态：可能当前进程 时间片到了，需要让出CPU
就绪态不会到等待态，因为没有执行，不需要等待前置事件
等待态也不会到运行态
进程的组成：程序与数据 & 进程控制块（一种数据结构，描述进程的信息如与系统资源的关系、不同时期所处状态）
进程控制块：
组成：进程标识符
进程当前状态
组织方式：就绪队列结构
进程控制：
职责：负责进程状态的改变
控制原语（原子性）:创建...
状态变化：
| 控制原语 | 语法 | 功能 | Linux语句 |
|---|---|---|---|
| 创建 | create (name，priority) | 创建一个具有指定标识符的进程，建立进程的 PCB结构 | fork() |
| 撤销 | exit() | 撤消当前运行的进程。将该进程的PCB结构归还到PCB资源池，所占用 的资源归还给父进程，从总链队列中摘除它 | exit（） |
| 等待 | susp（chan） | 中止调用进程的执行，并加入到等待chan的等待队列中； 最后使控制转向进程调度 | wait() waitpid() |
| 唤醒 | wakeup(chan) | 当进程等待的事件发生时，唤醒等待该事件的进程 | |
| 切换 | 切换进程，注意区分于函数调用，（子进程不会返回父进程继续执行跳转处之后的代码） | execlp() |
Notice：创建进程时，父进程的变量会被子进程拷贝1个相同的，两者之间不共享
切换步骤：
1.获得cpu控制权
2.根据需求判断是否需要进程切换（处理机状态切换，状态变为就绪态或等待 态
3.做切换准备：保存上下文、恢复上下文
exec(): 更换进程执行代码
例题：
打印输出cad。注意，这个不是函数调用，execlp执行完不会回到main
输出8行，执行到pid1=fork() 创建1个子进程，两个进程继续向下，又各自fork（）一个进程，共4个进程，每个进程打印两行输出
进程之间的相互制约关系（重点）
临界资源保证串行执行！！！！！！
交互关系
无交互
间接交互
直接交互
临界资源：一次仅允许一个进程使用的资源
临界区：进程中对公共变量进行审查和修改的代码片段
互斥：竞争关系
定义：当进程正在访问某一存储区域，不允许其他进程读出或修改该存储区的内容
同步：合作关系，严格执行顺序
定义：并发进程在关键点上需要相互等待和互通消息
关系举例：就诊中看病和化验
Q：如何保证进程互斥地进入临界区？
A：等待规则：忙则等待，空闲则入，有限等待
以下的例子都不满足：
while（flag == 1）跳转
这时候，多上一道保险，当切换进程且其他进程“想”进入时：
仍然有缺陷。进程多时非常复杂。
引入锁：（借助操作系统的核态）
定义：变量w，代表某种资源的状态
操作：检测w，为1继续检测，为0，设置为1，进入临界区执行（上锁），执行完置0（解锁）
信号灯：
由1个整型变量和两个原子操作组成
整型变量s：记录可用资源数量，非负整数
p操作：申请资源，计数器减1；若计数器为负，进程阻塞
v操作：释放资源，计数器加1；若有进程阻塞，唤醒其中1个
同步信号灯：
操作系统用于进程同步和互斥的一种机制，由Dijkstra提出。它通过计数器控制多个进程对共享资源的访问，避免竞态条件和死锁，针对同步信号灯的pv操作可以不成对
互斥信号灯：
用于多线程或多进程环境中实现互斥访问共享资源的同步机制。确保同一时间只有一个线程或进程能够访问临界区，从而避免竞态条件和数据不一致问题。pv操作需要成对
信号灯合并条件：并行
应用：生产者-消费者问题
分析:
分析同步关系：互斥信号灯 mutex。同步变量 n 互斥信号灯初值永远是1，因为最多只能由一个进程使用，且开始可以被使用
规范操作：操作前先检查同步变量，再检查互斥信号灯；操作前p操作，操作后V操作成对
进程通信
概述：
进程通信：进程之间传递信息及同步的机制 ，(IPC)
操作：发送（send），接收（receive）
同步方式：发送方 接收方
阻塞 阻塞 强同步
阻塞 非阻塞
非阻塞 阻塞
通信方式：
间接通信：信箱 归属进程或操作系统
直接通信：发送接收信息时必须指明消息接发进程
共享内存：同一片物理内存映射到多个进程的地址空间的通信机制
创建 shmget
绑定 shm
删除 shmctl
信号量：
创建 semget
控制 semctl
操作 semop P操作 和 V操作可在自己的程序中系统调用semop
信号：进程间通信或通知进程某事件发生的机制。可用于软中断和异步处理
产生来源：
输入ctrl + C
内核触发：硬件异常
系统调用 kill（）
处理方式：忽略、捕获、执行默认动作
特点：异步性、不可靠性、无优先级
管道：进程间基于文件的间接通信机制
特点：半双工、对两端的进程来说是文件
分类：无名管道、命名管道
消息队列：类型、时间到达顺序
方法：
发送： msgsnd
接收：msgrcv
删除：msgctl
线程
传统的进程模型： 进程是资源占用、调度/执行的基本单位
不足：进程操作开销大，并发度不高
线程：
定义：进程中的一条执行路径
特点：单个进程创建多个线程，每个线程共享分配给该进程的内存，每个线程有自己的私用堆栈和处理执行环境
优点：开销小于创建进程，线程间通信方便，线程切换开销小，速度快，进程内可创建多个线程，提高并行效率
缺点：1个线程崩溃会影响整个进程崩溃（因为错误线程共享进程的内存空间，出现错误是进程级的）
多核&多线程：
加速比：设f为程序中能够并行的部分的运行时间在整个程序的执行时间的占比
加速比 = 1 / (（1-f）+ f/N) * 100% （N为处理器的个数）
线程的状态：创建、就绪、等待、运行、终止
实现：
用户级线程：线程管理的工作由进程自己完成，内核不知道线程的存在，一个线程阻塞导致整个进程阻塞
内核级线程：线程管理由内核来完成，线程控制时会产生处理机状态切换
