濱江學(xué)院os期末第二章習(xí)目錄CONTENCT進(jìn)程與線程基本概念進(jìn)程狀態(tài)與控制進(jìn)程同步與通信方法死鎖問(wèn)題分析及解決方法線程實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較多線程編程技巧與注意事項(xiàng)01進(jìn)程與線程基本概念進(jìn)程的特性包括動(dòng)態(tài)性（進(jìn)程是程序的執(zhí)行過(guò)程，有生命周期）、并發(fā)性（多個(gè)進(jìn)程實(shí)體同存于內(nèi)存中，能在一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)運(yùn)行）、獨(dú)立性（進(jìn)程是系統(tǒng)中獨(dú)立存在的實(shí)體）、異步性（進(jìn)程按各自獨(dú)立的、不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)）以及結(jié)構(gòu)特征（進(jìn)程由程序、數(shù)據(jù)和進(jìn)程控制塊三部分組成）。進(jìn)程是操作系統(tǒng)中進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，它是程序的執(zhí)行過(guò)程，具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性和結(jié)構(gòu)特征。進(jìn)程的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在進(jìn)程控制塊PCB中，這包括進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、處理機(jī)狀態(tài)、進(jìn)程調(diào)度信息和進(jìn)程控制信息。進(jìn)程定義及特性線程是操作系統(tǒng)能夠進(jìn)行調(diào)度的最小單位，它被包含在進(jìn)程內(nèi)，是進(jìn)程中的實(shí)際運(yùn)作單位。一個(gè)進(jìn)程中可以并發(fā)多個(gè)線程，每條線程并行執(zhí)行不同的任務(wù)。線程的特性包括輕型實(shí)體（線程中的實(shí)體基本上不擁有系統(tǒng)資源）、獨(dú)立調(diào)度和分派的基本單位（線程是獨(dú)立調(diào)度的基本單位，線程切換比進(jìn)程切換快）、可并發(fā)執(zhí)行（同一進(jìn)程的多個(gè)線程之間可以并發(fā)執(zhí)行）、共享進(jìn)程資源（同一進(jìn)程內(nèi)的各個(gè)線程共享該進(jìn)程的地址空間）。010203線程定義及特性一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程，但至少有一個(gè)線程。資源分配給進(jìn)程，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源。處理機(jī)分給線程，即真正在處理機(jī)上運(yùn)行的是線程。線程在執(zhí)行過(guò)程中，需要協(xié)作同步。不同進(jìn)程的線程間要利用消息通信的辦法實(shí)現(xiàn)同步。進(jìn)程與線程關(guān)系02進(jìn)程狀態(tài)與控制0102030405就緒狀態(tài)進(jìn)程已獲得除CPU外的所有必要資源，只等待CPU時(shí)的狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)程獲得CPU，正在執(zhí)行程序的狀態(tài)。阻塞狀態(tài)正在執(zhí)行的進(jìn)程由于某種原因而暫時(shí)無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，便放棄處理機(jī)而處于暫停狀態(tài)，即進(jìn)程執(zhí)行受阻。創(chuàng)建狀態(tài)進(jìn)程正在被創(chuàng)建時(shí)的狀態(tài)。結(jié)束狀態(tài)進(jìn)程正在從系統(tǒng)中消失時(shí)的狀態(tài)。進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)程創(chuàng)建方法進(jìn)程終止方法進(jìn)程創(chuàng)建與終止方法系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建原語(yǔ)創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程。創(chuàng)建原語(yǔ)首先申請(qǐng)一個(gè)空閑的PCB，并填寫(xiě)一些控制和管理進(jìn)程的信息，然后由系統(tǒng)分配該進(jìn)程所需的資源，最后將其轉(zhuǎn)入就緒狀態(tài)并插入就緒隊(duì)列中。進(jìn)程完成任務(wù)后，通過(guò)調(diào)用結(jié)束原語(yǔ)來(lái)終止自身。結(jié)束原語(yǔ)將回收該進(jìn)程所占用的所有資源，并撤銷其PCB。進(jìn)程阻塞機(jī)制當(dāng)進(jìn)程需要等待某種條件滿足時(shí)，它會(huì)將自己阻塞，并放棄CPU。阻塞原語(yǔ)將進(jìn)程的PCB狀態(tài)改為阻塞狀態(tài)，并將其插入到相應(yīng)事件的等待隊(duì)列中。進(jìn)程喚醒機(jī)制當(dāng)?shù)却氖录l(fā)生時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程會(huì)被喚醒。喚醒原語(yǔ)將進(jìn)程的PCB狀態(tài)改為就緒狀態(tài)，并將其插入到就緒隊(duì)列中，等待CPU的調(diào)度。進(jìn)程阻塞與喚醒機(jī)制03進(jìn)程同步與通信方法信號(hào)量是一個(gè)整型變量，用于表示資源的可用數(shù)量。進(jìn)程通過(guò)執(zhí)行P操作和V操作來(lái)申請(qǐng)和釋放資源，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和互斥。信號(hào)量機(jī)制原理信號(hào)量機(jī)制可應(yīng)用于解決生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題、哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題等經(jīng)典同步問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)置信號(hào)量的初始值和P、V操作的順序，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的協(xié)同工作。信號(hào)量機(jī)制應(yīng)用信號(hào)量機(jī)制原理及應(yīng)用消息傳遞方式消息傳遞是進(jìn)程間通信的一種方式，包括直接通信和間接通信兩種方式。直接通信是指發(fā)送進(jìn)程直接把消息發(fā)送給接收進(jìn)程，而間接通信則是通過(guò)共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如消息隊(duì)列）進(jìn)行消息的發(fā)送和接收。消息傳遞實(shí)現(xiàn)在操作系統(tǒng)中，消息傳遞通常通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用或庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)送進(jìn)程調(diào)用發(fā)送原語(yǔ)將消息發(fā)送到目標(biāo)進(jìn)程的消息隊(duì)列中，接收進(jìn)程調(diào)用接收原語(yǔ)從消息隊(duì)列中取出消息進(jìn)行處理。消息傳遞方式及實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信的另一種方式，通過(guò)在內(nèi)存中開(kāi)辟一塊共享區(qū)域，多個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)和修改該區(qū)域的內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)同工作。共享內(nèi)存通信原理在Linux系統(tǒng)中，可以使用shmget、shmat和shmdt等系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信。首先使用shmget函數(shù)創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存區(qū)域，然后使用shmat函數(shù)將共享內(nèi)存區(qū)域映射到進(jìn)程的地址空間中，最后通過(guò)指針訪問(wèn)共享內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行讀寫(xiě)操作。當(dāng)不再需要共享內(nèi)存時(shí)，可以使用shmdt函數(shù)將共享內(nèi)存從進(jìn)程中分離。共享內(nèi)存通信實(shí)例共享內(nèi)存通信原理及實(shí)例04死鎖問(wèn)題分析及解決方法死鎖概念及產(chǎn)生條件死鎖概念死鎖是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，由于競(jìng)爭(zhēng)資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無(wú)外力作用，它們都將無(wú)法向前推進(jìn)。產(chǎn)生條件死鎖的產(chǎn)生必須滿足以下四個(gè)必要條件，也稱為“死鎖的四個(gè)必要條件”，即互斥條件、請(qǐng)求和保持條件、不剝奪條件和環(huán)路等待條件。破壞互斥條件破壞請(qǐng)求和保持條件破壞不剝奪條件破壞環(huán)路等待條件死鎖預(yù)防策略探討通過(guò)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)某些資源來(lái)預(yù)防死鎖。但是，有些資源是不能被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)的，如打印機(jī)等。采用靜態(tài)分配方法，即進(jìn)程在運(yùn)行前一次申請(qǐng)完它所需要的全部資源，在它的資源未滿足前，不把它投入運(yùn)行。一旦投入運(yùn)行后，這些資源就一直歸它所有，也不再提出其他資源請(qǐng)求，直到它完成任務(wù)為止。當(dāng)某個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求新的資源得不到滿足時(shí)，它必須立即釋放保持的所有資源，待以后需要時(shí)再重新申請(qǐng)。這意味著進(jìn)程已占用的資源會(huì)被暫時(shí)釋放，從而破壞了不可剝奪條件。采用資源有序分配法，即把資源事先分類編號(hào)，按號(hào)分配，使進(jìn)程在申請(qǐng)、占用資源時(shí)不會(huì)形成環(huán)路。所有進(jìn)程對(duì)資源的請(qǐng)求必須嚴(yán)格按資源序號(hào)遞增的順序提出。01020304銀行家算法饑餓問(wèn)題安全性算法資源分配圖算法死鎖避免算法介紹該算法通過(guò)判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)來(lái)決定是否分配資源。如果系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，則可以分配資源；否則，不分配資源以避免死鎖的發(fā)生。銀行家算法雖然可以避免死鎖的發(fā)生，但也可能導(dǎo)致某些進(jìn)程長(zhǎng)時(shí)間得不到服務(wù)，即產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要結(jié)合其他算法或策略來(lái)解決饑餓問(wèn)題。該算法是由艾茲格·迪杰斯特拉在1965年為T(mén).H.E.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種避免死鎖產(chǎn)生的算法。它以一個(gè)銀行借貸系統(tǒng)的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的分配和回收，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。該算法利用有向圖來(lái)表示系統(tǒng)中資源和進(jìn)程的狀態(tài)及其之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)資源分配圖的分析和化簡(jiǎn)來(lái)判斷系統(tǒng)是否會(huì)發(fā)生死鎖。05線程實(shí)現(xiàn)方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較01020304用戶級(jí)線程完全在用戶空間中實(shí)現(xiàn)，不需要內(nèi)核支持。用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)原理用戶級(jí)線程完全在用戶空間中實(shí)現(xiàn)，不需要內(nèi)核支持。用戶級(jí)線程完全在用戶空間中實(shí)現(xiàn)，不需要內(nèi)核支持。用戶級(jí)線程完全在用戶空間中實(shí)現(xiàn)，不需要內(nèi)核支持。內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理和調(diào)度，線程的創(chuàng)建、撤銷和切換都由內(nèi)核負(fù)責(zé)。內(nèi)核為每個(gè)線程分配獨(dú)立的?？臻g和寄存器上下文，確保線程之間的隔離性。內(nèi)核級(jí)線程可以充分利用多核處理器并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)吞吐量。但是，內(nèi)核級(jí)線程的創(chuàng)建、撤銷和切換開(kāi)銷較大，且需要處理同步和互斥問(wèn)題。內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)原理同步和互斥調(diào)度策略用戶級(jí)線程可以采用非搶占式或搶占式調(diào)度策略，內(nèi)核級(jí)線程通常采用搶占式調(diào)度策略。并行能力用戶級(jí)線程無(wú)法利用多核處理器并行執(zhí)行，內(nèi)核級(jí)線程可以充分利用多核處理器并行執(zhí)行。系統(tǒng)開(kāi)銷用戶級(jí)線程創(chuàng)建、撤銷和切換開(kāi)銷較小，內(nèi)核級(jí)線程創(chuàng)建、撤銷和切換開(kāi)銷較大。用戶級(jí)線程在用戶空間實(shí)現(xiàn)，內(nèi)核級(jí)線程在內(nèi)核空間實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)方式切換速度用戶級(jí)線程切換速度快，內(nèi)核級(jí)線程切換速度相對(duì)較慢。用戶級(jí)線程需要自行處理同步和互斥問(wèn)題，內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核提供同步和互斥機(jī)制。用戶級(jí)與內(nèi)核級(jí)線程比較06多線程編程技巧與注意事項(xiàng)線程創(chuàng)建與啟動(dòng)線程生命周期管理線程間通信使用適當(dāng)?shù)木€程創(chuàng)建方法（如繼承Thread類或?qū)崿F(xiàn)Runnable接口），并正確啟動(dòng)線程。理解線程的生命周期（新建、就緒、運(yùn)行、阻塞、終止），并合理管理線程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。通過(guò)共享內(nèi)存、消息傳遞等方式實(shí)現(xiàn)線程間通信，確保線程間協(xié)作順暢。多線程程序設(shè)計(jì)方法使用synchronized關(guān)鍵字修飾方法，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以執(zhí)行該方法，避免數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題。同步方法使用synchronized關(guān)鍵字修飾代碼塊，實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的同步控制，減少線程等待時(shí)間。同步塊利用Java中的Lock接口及其實(shí)現(xiàn)類（如ReentrantLock），實(shí)現(xiàn)更靈活的線程同步控制。鎖機(jī)制使用Condition接口及其實(shí)現(xiàn)類，結(jié)合鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)線程間的等待/通知機(jī)制，解決線程間的協(xié)作問(wèn)題。條件變量多線程同步和互斥處理技巧利用并發(fā)工具類Java并發(fā)包中提供了許多高級(jí)并發(fā)工具類（如CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore等），可以簡(jiǎn)化多線程編程