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操作系统:线程

仅供参考,我不知道对不对

进程概要

栈区是否是程序的一部分?

不是,栈区是进程的一部分,而程序不是进程。(什么咬文嚼字233)
概念:进程是正在运行的程序。包括程序计数器,栈区和数据区。

进程创建的四种情况是啥?

系统初始化,用户请求,系统调用,批处理初始化。

父子进程

Fork (创建子进程) 和 Exec (执行) 的区别

我觉得括号里面说的很明白了2333

  • Fork: 子进程和父进程的代码区,堆栈区是相同的。
  • Exec: 在同一个进程中,用程序镜像替换这个进程(使用执行程序的程序段和代码段覆盖)。

命令行(Shell)如何执行用户指令?

用 UNIX 系统举例 (详情见书 P88 最后一段)

  1. 读取并解析字符串,找到程序
  2. 使用 fork/exec 系统调用生成子进程
  3. 子进程使用 execvp 系统调用,使用执行程序的程序段和代码段覆盖。
  4. 父进程进入等待状态。

概念:进程的状态有准备态(Ready),等待态(Waiting),运行态(Running)

读这段代码,说最终有几个进程捏?

先告诉你有四个。

int main(){
	pid_t pid;
	for (int i = 0; i < 2; i++)
		pid = fork();
}

Let’s paint a tree, shall we?
Let’s paint a tree, shall we?

深入进程

进程终结时候发生了啥?

移除所有队列,释放占用的系统资源(内存等),然后返回操作系统。有可能出现僵尸进程,得让父进程来终结:-P

进程终结状态如下:

  1. 程序自愿退出:执行完了/遇到一般错误
  2. 被迫退出:进程遇到严重错误/被其他进程发信号退出

PCB 不是电路板!

PCB (Process Control Block):进程控制块。重点包括以下东西:

  1. 进程状态
  2. 程序计数器
  3. CPU寄存器
  4. CPU调度信息
  5. 内存管理信息
  6. Accounting information
  7. 输入输出状态信息

注意:第六条直译为会计信息。我有两个理解:进程状态信息 / 用户信息 (我的上帝啊,谁能给我本翻译得十分不错的 Modern Operating System 啊)

线程概要

线程提出的目的

对于操作系统来说,中断或者切换一个进程的代价太高了。

弹出式线程的定义

操作系统收到一个信息后,创建一个线程来处理信息。
概念:进程分为用户态线程(管理归进程),系统态线程(管理归操作系统),混合态进程,以及弹出态进程

用户态线程的优劣

优点

  1. 线程调用很快。
  2. 线程可以自行定义调度算法。
  3. 减轻内核调用线程压力。(内核看不到用户态线程)

缺点

  1. 线程无法调用阻塞式系统调用。(毕竟只能访问进程里面的玩意)
  2. 没有时钟,除非运行完退出,其他线程无法运行。

调度算法

调度发生的时机

  1. 新进程的创建
  2. 进程的退出
  3. 某进程需要IO操作,
  4. IO设备申请CPU中断 (称之为IO中断)

一道计算题

By Multilevel Quene Fixed Priority scheduling algorithm, there are 3 priority quenes and 7 processes with following information. Draw the CPU scheduling Gantt chart and complete the following table for the give processes information.

通过多层级队列混合优先级 (Multilevel Quene Fixed Priorty) 调度算法,总共有三个优先级队列和七个进程,信息如下。画出 CPU 调度甘特图,然后根据信息填写最下面的表格。



进程间通信

基础概念

  • 竞争条件 (race condition) :多个进程间读取一个数据。
  • 临界区 (critical region):要与其他进程共享数据区域。
  • 互斥访问 (mutual exclusion) 和忙等待 (busy waiting)

互斥访问方案原则

  1. 任意两个进程不能同时在临界区。
  2. 不对 CPU 速度和数量做出假设。
  3. 临界区外运行进程不能阻塞其他进程。
  4. 不要让进程进入临界区前无限制等待。

阅读代码,填空

enter_region:
	MOVE REGISTER,___(1)___;
	XCHG REGISTER,LOCK;
	CMP  REGISTER,#1;
	JE   OK;
	CALL ___(2)___;
	JMP  ___(3)___;
ok: RET;

leave_region:
	MOVE LOCK,___(4)___;
	RET;

根据 CMP REGISTER,#1; JE OK; ok: RET; 可分析出 #1 是没上锁,#0 是上锁了。
XCHG 可以互换两个寄存器的值,如果第一个空填入的是 #1 ,那么无论如何,判断都是没上锁。所以第一个空填入 #0
第二个和第三个空是忙等待的东西,分别填的是 thread_yield (找另外一个进程)和 enter_region
第四个空填入 #1 ,用完了就解锁。

概念 互斥访问策略

  1. 关闭中断。(单 CPU 有效)
  2. 锁变量与忙等待。
  3. 严格轮换。
  4. Peterson 算法。
  5. 汇编 TSL 指令。

严格轮换机制作业

请修改附件中的代码,实现strict alternation机制(注要能够运行)。此外需要说明程序中那个部分是关键区,以及它为什么是关键区。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h> // For sleep().

// Critical region, because both threads needs to access this.
int a;
// Lock Variable
int turn = 0;

// Thread 2.
void * th(void *p)
{
	while(1)
	{ 
		while(turn!=1) /*loop*/;
		sleep(1);a=0;   // Access Critical Region
		printf("a=%d haha\n",a);// Stop access.
		turn=0;     // Change mark.
 	}
}

int main()
{
     a=0;
     pthread_t myth;
     pthread_create(&myth,NULL,th,NULL);

     // Thread 1.
     while(1)
     {
		while(turn!=0)   /*loop*/;
		sleep(1);a=1;   // Access Critical Region.
		printf("a=%d hehe\n",a);// Stop access.
		turn=1;     // Change mark.
     }
}

以下是编译运行方式。

gcc thread.c -lpthread -o thread && ./thread
ps -aux | grep thread # 记下 pid 号码
top -H -p PID # 查看该 PID 对应的线程状态

本程序的关键区是 aturn ,因为它是两个进程共享的数据区域。其中 a 是两个进程互相访问的数据区,turn 是锁变量。

生产者和消费者问题

阅读代码,看看有啥问题。

在单核 CPU 上:

先执行消费者进程:
发现仓库里没有东西,准备睡眠。但是还没睡眠,进程切换到生产者了。
生产者开始生产产品,发现仓库里有东西,向消费者进程发出唤醒信号。进程切换到消费者。
消费者进程是醒着的,只是准备睡眠,把唤醒信号忽略掉,然后睡眠了,退出了 CPU 。
最后生产者把仓库填满了,也睡了。两个进程都睡了:-P

如果目前仓库满了:
生产者决定睡眠,但还没睡,进程切换到消费者了。
消费者用了一个产品,发现仓库里数量为 N-1,唤醒生产者。
生产者忽略了唤醒信号,睡眠。
消费者用完了所有东西,也睡了:-P

要点:准备睡眠时切换进程了,唤醒信号被忽略。

Mutex(互斥锁)和 Semaphore(信号量)的不同

Mutex 实现在用户态,代价低,数量上限高。Semaphore 实现在内核态,代价高,数量上限低。

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