操作系统复习

一 .​​操作系统中的进程与线程​​

​​1. 进程（Process）​​

• ​​定义​​：进程是操作系统资源分配的基本单位，是程序的一次执行实例。每个进程拥有独立的地址空间、代码、数据和系统资源（如文件、内存、CPU 时间等）。
• ​​特点​​：
  • ​​独立性​​：进程之间相互隔离，一个进程崩溃不会直接影响其他进程。
  • ​​资源开销大​​：创建、切换和销毁进程需要较高的系统开销。
  • ​​通信复杂​​：进程间通信（IPC）需要借助操作系统提供的机制（如管道、消息队列、共享内存等）。

​​2. 线程（Thread）​​

• ​​定义​​：线程是 CPU 调度的基本单位，是进程内的一个执行流。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的地址空间和资源。
• ​​特点​​：
  • ​​轻量级​​：线程的创建、切换和销毁比进程更快，资源开销更小。
  • ​​共享资源​​：同一进程内的线程共享内存、文件等资源，通信更高效。
  • ​​并发执行​​：多线程可以实现并行计算，提高程序执行效率。

​​3. 进程 vs. 线程​​

​​特性​​	​​进程​​	​​线程​​
​​资源占用​​	独立地址空间，开销大	共享进程资源，开销小
​​创建/切换速度​​	慢	快
​​通信方式​​	IPC（管道、共享内存等）	直接共享内存，更高效
​​独立性​​	崩溃不影响其他进程	一个线程崩溃可能导致整个进程崩溃
​​适用场景​​	需要高隔离性的任务（如浏览器）	需要高并发的任务（如Web服务器）

​​4. 多线程 vs. 多进程​​

• ​​多进程​​：

  • ​​优点​​：稳定性高，一个进程崩溃不会影响其他进程。
  • ​​缺点​​：资源占用大，通信复杂。
  • ​​适用场景​​：需要高安全性和隔离性的应用（如 Chrome 浏览器采用多进程架构）。

• ​​多线程​​：

  • ​​优点​​：通信高效，资源占用小，适合并发计算。
  • ​​缺点​​：线程间共享数据可能导致竞争条件（Race Condition），需要同步机制（如锁、信号量）。
  • ​​适用场景​​：需要高并发的任务（如 Web 服务器、游戏引擎）。

​​5. 线程同步机制​​

由于线程共享内存，可能导致数据竞争（Data Race），因此需要同步机制：

• ​​互斥锁（Mutex）​​：确保同一时间只有一个线程访问共享资源。
• ​​信号量（Semaphore）​​：控制多个线程对资源的访问数量。
• ​​条件变量（Condition Variable）​​：让线程等待某个条件满足后再执行。
• ​​读写锁（Read-Write Lock）​​：允许多个线程同时读，但写操作独占资源。

​​6. 进程间通信（IPC）方式​​

由于进程间内存隔离，通信需要特殊机制：

• ​​管道（Pipe）​​：单向通信，适用于父子进程。
• ​​消息队列（Message Queue）​​：进程间发送结构化消息。
• ​​共享内存（Shared Memory）​​：高效，但需要同步机制。
• ​​套接字（Socket）​​：可用于不同机器间的进程通信。

​​7. 总结​​

• ​​进程​​：适合需要高隔离性和安全性的任务（如浏览器、数据库）。
• ​​线程​​：适合需要高并发和资源共享的任务（如服务器、游戏引擎）。
• ​​选择​​：
  • 如果任务需要高并发且共享数据 → ​​多线程​​。
  • 如果任务需要高稳定性 → ​​多进程​​。

二 . 死锁（Deadlock）复习笔记

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​​1. 死锁的定义​​

在操作系统中，​​死锁​​指多个进程因竞争资源而陷入互相等待的状态，导致所有进程都无法继续执行。例如：进程A持有资源R1并请求R2，而进程B持有R2并请求R1，两者均无法释放资源，形成僵局。

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​​2. 死锁的必要条件（四个，缺一不可）​​

• ​​互斥条件（Mutual Exclusion）​​：资源一次只能被一个进程占用。
• ​​占有并等待（Hold and Wait）​​：进程持有至少一个资源，同时等待获取其他被占用的资源。
• ​​非抢占（No Preemption）​​：已分配给进程的资源不能被强制剥夺，必须由进程主动释放。
• ​​循环等待（Circular Wait）​​：存在一个进程等待环路，如P1→P2→P3→…→Pn→P1。

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​​3. 死锁的处理策略​​

​​(1) 预防（Prevention）​​

破坏四个必要条件之一：

• ​​破坏互斥​​：允许资源共享（如只读文件），但某些资源无法共享（如打印机）。
• ​​破坏占有并等待​​：要求进程一次性申请所有资源（可能导致资源浪费）。
• ​​破坏非抢占​​：允许强制抢占资源（需保存状态，实现复杂）。
• ​​破坏循环等待​​：按固定顺序（如资源编号）申请资源（如银行家算法）。

​​(2) 避免（Avoidance）​​

• ​​银行家算法（Banker's Algorithm）​​：
  • 检查资源分配后系统是否处于​​安全状态​​（存在至少一个安全序列）。
  • 需要预先知道进程的​​最大资源需求​​。
  • 示例：当前可用资源为(3,3,2)，若进程P1请求(1,0,2)，需检查分配后是否仍能找到一个安全序列（如P1→P3→P4→P2→P0）。

​​(3) 检测与恢复（Detection & Recovery）​​

• ​​检测​​：通过资源分配图（Resource Allocation Graph, RAG）或矩阵算法检测死锁。
  • 若图中存在​​环路​​且资源不可抢占，则死锁发生。
• ​​恢复​​：
  • ​​进程终止​​：强制终止所有或部分死锁进程（如终止代价最小的进程）。
  • ​​资源抢占​​：回滚进程并释放资源（需解决饥饿问题）。

​​(4) 忽略（Ostrich Algorithm）​​

• 假设死锁极少发生，如Unix/Linux通常不处理死锁，交由开发者避免。

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​​4. 关键概念对比​​

​​预防（Prevention）​​	​​避免（Avoidance）​​
静态策略，限制资源申请方式	动态策略，运行时检查安全性
可能降低系统吞吐量	需预知最大需求，开销较大

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​​5. 典型例题​​

​​问题​​：系统有3类资源（A/B/C），数量为(10,5,7)。当前分配情况如下：

• 进程P0：已占用(0,1,0)，最大需求(7,5,3)；
• 进程P1：已占用(2,0,0)，最大需求(3,2,2)；
• 进程P2：已占用(3,0,2)，最大需求(9,0,2)；
• 进程P3：已占用(2,1,1)，最大需求(2,2,2)；
• 进程P4：已占用(0,0,2)，最大需求(4,3,3)。

​​问​​：当前是否安全？若P1请求(1,0,2)，能否分配？

​​解答​​：

1. ​​计算可用资源​​：
   总资源 = (10,5,7)
   已分配 = (0+2+3+2+0, 1+0+0+1+0, 0+0+2+1+2) = (7,2,5)
   可用 = (10-7, 5-2, 7-5) = ​​(3,3,2)​​

2. ​​检查安全序列​​：

   • 计算各进程​​Need = Max - Allocated​​：
     P0:(7,4,3), P1:(1,2,2), P2:(6,0,0), P3:(0,1,1), P4:(4,3,1)
   • 当前可用(3,3,2)可满足P3的Need(0,1,1)，执行后释放资源：
     可用 = (3+2,3+1,2+1) = (5,4,3)
   • 接着可满足P1/P4，最终找到安全序列如 ​​P3→P1→P4→P0→P2​​，系统安全。

3. ​​P1请求(1,0,2)​​：

   • 检查请求 ≤ Need（(1,2,2)）且 ≤ 可用（(3,3,2)），允许尝试分配。
   • 分配后：
     P1占用 = (2+1,0+0,0+2) = (3,0,2)
     可用 = (3-1,3-0,2-2) = (2,3,0)
   • 重新检查安全性：可用(2,3,0)可满足P3→P1→...，仍存在安全序列，​​允许分配​​。

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​​6. 常见考点​​

• 判断死锁条件（给出资源分配图或进程描述）。
• 银行家算法的步骤（计算Need、Available，找安全序列）。
• 死锁处理策略的优缺点比较（如预防 vs 避免）。

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