引入

1. 程式：原始碼程式、目標程式、可執行程式

2. 程式執行：編寫、編譯、連結、執行

3. 交換：將部分程序換出到外存，騰出記憶體空間。被換出去的程序處於掛起狀態。只有掛起它的程序才能恢復被掛起的程序。

4. 虛擬儲存：每個程序只能裝入一部分程式和資料

程序描述及控制

1. 程序的概念

申請/擁有資源的單位

程式是靜態概念，程序是存在於記憶體的動態概念，表現為程式的執行

2. 程序的結構

程式

資料集合

程序控制塊PCB

PCB是程序存在的唯一標識，PCB代表著程序是不是存在

3. PCB的構成

（1）構成

程序標識資訊

處理機狀態資訊

程序排程資訊

其它資訊

（2）組織方式

單一佇列

通過連結串列組織成單一佇列，適用程序數目不多，否則查詢困難。插入、刪除都麻煩

表格結構

PCB按照程序狀態不同，組織成不同的表：就緒程序表、執行程序表、阻塞程序表

4. 程序的狀態

（1）五狀態

新建-->就緒

就緒-->被排程-->執行

執行-->時間到-->就緒

執行-->IO等待-->阻塞

執行-->完成-->終止

阻塞-->IO完成-->就緒

（a）某些系統，父程序可任何情況下終止子程序

（b）父程序終止、子程序必須終止

（2）具有掛起的程序狀態圖

（a）阻塞掛起，當事件發生時，變成就緒掛起

5. 程序的建立

（1）系統為程序分配唯一標識ID，PID

（2）主程序表增加表項，記錄程序對應的PCB

（3）為程序分配空間：使用者地址空間、使用者棧空間、PCB空間。有共享記憶體，就建立連結

（4）初始化PCB：程序標識、狀態

（5）建立連結：插入排程佇列

程序排程

1. 排程方式

程序排程方式分為剝奪式和非剝奪兩種。

IO阻塞並非剝奪，屬於主動放棄CPU

2. 排程型別

長程排程：作業從外存調進來

中程排程：交換出去外存的掛起程序調進來

短程排程：

3. 排程演算法

（1）FCFS先來先服務：非剝奪，對短時程序不公平，對IO型不公平。整個等待時間肯定長

（2）短程序優先：非剝奪，但是需要對程序進行排序，而且難以估算程序時間

（3）時間片輪轉：分時聯機系統，剝奪式，程序切換多，額外開銷，時間片大小問題。對短程序有利，不利於IO型程序，中斷太多不適合批處理

（4）基於優先順序：典型的是剩餘時間減少優先順序提高、排隊時間增加優先順序提高。反饋排程法就是很好的一個實現。

（5）反饋排程法：根據歷史執行情況進行調整，結合了優先順序和時間片輪轉排程思想

根據優先順序分多個就緒佇列，每個佇列的時間片遞增。

就緒佇列0        時間片0         優先順序高

就緒佇列1       時間片1

...

就緒佇列n       時間片n          優先順序低

執行緒

1. 為什麼引入執行緒

為了減少程式併發執行時系統所付出的額外開銷，使系統有更好的併發性。比如有些應用場景，必須是多程序/多執行緒併發才能實現功能的，如果採用程序的話，需要增加建立程序時候的開銷，另外就是程序切換的時候，要保護現場等，比執行緒切換複雜。

執行緒是程序的一個實體，自身不擁有系統資源，只擁有少許執行中必不可少的私有資源。執行緒可與同屬一個程序的其它執行緒共享程序的全部資源。

2. 執行緒狀態

就緒、阻塞、執行

一般沒有掛起狀態：因為掛起是指將程式和資料交換出去外存，而多個執行緒是共享程式和資料的。

3. 程序與執行緒區別

（1）程序是資源申請的最小單位，執行緒是系統排程的最小單位

（2）程序切換開銷比執行緒切換要大，執行緒具有相同的地址空間，使得執行緒間通訊同步容易

（3）程序有掛起，執行緒沒有

（4）windows、linux採用多程序、多執行緒技術

           UNIX採用多程序、單執行緒技術

   java虛擬機器採用單程序、多執行緒技術

   MS DOS採用單程序、單執行緒技術

4. 使用者級執行緒和核心級執行緒

這個跟具體作業系統設計有關，而不是應用程式自己決定採用哪種的。

5. 執行緒阻塞會否造成程序阻塞

（1）如果是執行緒1等待執行緒2而阻塞，不會引起程序阻塞

（2）如果是執行緒1等待IO而阻塞，核心需要啟動系統IO，控制從使用者級轉向核心級，會引起程序阻塞

互斥與同步

1. 同步：協作          互斥：競爭

2. 臨界資源：一次只允許一個程序訪問的資源。

    臨界區：訪問臨界資源的那段程式碼

3. 互斥條件

    忙則等待

    有限等待

    空閒讓進

    讓權等待

4. 死鎖和飢餓

5. 實現方法

（1）軟體方法

（a）程序嚴格順序使用臨界區

（b）為臨界區設定一個狀態標誌，“忙”和“空閒”。問題：同時進入了。

（c）先表明要進去，然後再看下對方進去沒。問題：都不進去

（d）謙讓一段時間，再重新嘗試進去

（e）有序謙讓

（2）硬體方法

（3）訊號量方法

（a）訊號量定義

訊號量包括如下機構：

count：可用資源數

queue：阻塞程序佇列

（b）原語

原子操作，作業系統保證了一次執行不可中斷。

    wait（s） ==  P（s）       申請訊號量，s--，判斷s>=0則進入臨界區，否則阻塞，s絕對值表示有多少個被阻塞的程序

signal（s） ==  V（s）       釋放訊號量，s++，判斷s<=0，喚醒一個程序，s絕對值表示有多少個被阻塞的程序

（c）訊號量型別

互斥訊號量

資源訊號量

經典問題

1. 生產者/消費者問題

（1）特點：生產者建立資料，消費者使用資料，用完就沒了，消耗型的。生產者可以多個，消費者也可以多個。

（2）生產者消費者共享大小固定的緩衝區。假設緩衝區大小為n，有插入指標和取出指標

（3）要求：

生產者與生產者之間要互斥

生產者與消費者之間要互斥

生產者不能向滿緩衝區寫資料

消費者不能向空緩衝區取資料

e: 資源訊號量，表示緩衝區大小

n:資源訊號量，非空單元

x:互斥訊號量，對緩衝區的操作許可權

生產者：

wait(e)

wait(x)

生產資料

signal(x)

signal(n)

消費者：

wait(n)

wait(x)

取走資料

signal(x)

signal(e)

（4）資源訊號量要先申請，然後再申請互斥訊號量。也就是說多的要先申請。

2. 讀者/寫者問題

要求：

寫者間互斥

寫者讀者間互斥

讀者間可同時讀

讀完資料還在

（1）讀者優先

讀者：                                                                   

wait(x)

reader++;

if(reader == 1) 

wait(wsem)

signal(x)

讀資料

wait(x)

reader--;

if(reader == 0)

signal(wsem)

signal(x)

寫者：

wait(wsem)

寫資料

signal（wsem）

（2）寫者優先

讀者：                                                                   

wait(z)

wait(rsem)

wait(x)

reader++;

if(reader == 1) 

wait(wsem)

signal(x)

signal(rsem)

signal(z)

讀資料

wait(x)

reader--;

if(reader == 0)

signal(wsem)

signal(x)

寫者：

wait(y)

writer++;

if(writer == 1)

wait(rsem)

signal(y)

wait(wsem)

寫資料

signal（wsem）

wait(y)

writer--;

if(writer == 0)

signal(rsem)

signal(y)

程序通訊

1. 程序通訊型別

控制資訊和資料資訊

2.常用的程序通訊機制

（1）共享儲存區

（1.1）要求本地程序之間，資料空間固定

（1.2）同步互斥方式：

程式設計

作業系統實現：程序將儲存區連線到本地程序中，互斥同步由作業系統實現，程序只管讀寫。

（2）訊息傳遞

（2.1）訊息格式

訊息頭：訊息型別+目的地址+原地址+訊息長度+控制資訊

訊息體：訊息內容

Send原語：如果沒有空閒的緩衝區，則程序阻塞；

Receive原語：如果緩衝區為空，則程序阻塞；

同步方式：

阻塞傳送、阻塞接收

不阻塞傳送、阻塞接收：傳送程序不是一定要傳送的，而接收程序一定要等有資料

不阻塞傳送、不阻塞接收

（3）郵箱機制

郵箱：訊息的容器

使用郵箱實現互斥同步：建立一個郵箱，裡面有一條空訊息。接收阻塞方式，讀取時如果為空則阻塞，等待進入臨界區；如果取到了，就進入臨界區。

3. 死鎖

（1）安全狀態、不安全狀態

（2）安全序列、安全演算法

4. 哲學家演算法

（1）問題描述

五個哲學家圍成一桌，5碗麵，五支筷子在面左右，同時獲得兩支筷子才能進食。

（2）死鎖

        如果每個哲學家都申請自己右邊的筷子，再申請左邊的筷子，很容易進入死鎖

wait(fork(i));

wait(fork(i+1 )mod 5);

eat;

signal(fork(i+1) mod 5);

signal(fork(i));

（3）解決方案

       增加一位服務員，先讓4位哲學家進餐，4位哲學家競爭5支筷子，肯定有一個能夠取得一對，然後再安排最後一位進餐。

room:semaphore(4)

wait(room)

wait(fork(i));

wait(fork(i+1 )mod 5);

eat;

signal(fork(i+1) mod 5);

signal(fork(i));

signal(room);