操作系统

本讲主要介绍操作系统的相关知识，帮助大家快速建立操作系统的宏观认识。需要注意的是，操作系统涉及处理机管理、存储管理、文件系统、IO设备等多个方面，而本讲主要涉及处理机管理中的进程间通信、进程的同步与互斥、死锁等内容，较少涉及其它部分。以下为本讲大纲，详细课件参见仓库。

进程与线程

进程（Process）是具有独立功能的程序在某个数据集合上的一次运行活动，可以理解为操作系统执行的一个程序的实例。

三状态模型：运行、就绪、阻塞。

线程（Thread）进一步减小了程序并发执行的时空开销，是轻量级进程。进程是资源分配的单位，线程是处理器调度的单位，同一个进程的多个线程共享资源。

用户级线程 vs 内核级线程

处理器状态：核心态（Kernel mode）与用户态（User mode），通过陷入（Trap）与修改程序状态字（PSW）互相切换。

CPU的一个核心上，同一时间片只能执行一个线程。操作系统在单核上实现并行的方式是通过处理器调度，使得各线程轮流执行，实现宏观并行。操作系统的调度需要陷入核心态，保存寄存器、堆栈，同时cache需要更新，因此有一定时间开销。

调度的时刻（抢先vs非抢先）：

对于计算密集型任务，频繁调度不划算；而对于IO密集型任务，调度是有较大收益的。

原语（primitive）：由若干条指令构成的 “原子操作（atomic operation）” 过程，作为一个整体而不可分割——要么全都完成，要么全都不做要么全都不做要么全都不做。许多系统调用都是原语。原语可以避免因调度而被打断。

需要注意的是，C或其它编程语言的一条指令可能由多个汇编语句构成，而处理器执行汇编指令中都可能发生调度，因此同一条指令可能被打断，发生各种情况。

Linux无线程概念，但可共享资源的进程可看作线程，相当于内核级线程。

Windows进程是惰性的，无实际作用，线程是调度单位，内核级线程。

POSIX未限定用户级/内核级线程。多线程编程接口标准pthread。

忙等待不但浪费CPU时间，还会出现优先级反转问题（priority inversion problem）。

死锁（Deadlock）是指系统中多个进程无限制地等待永远不会发生的条件。

死锁发生的必要条件：

处理死锁问题的四种方法：