操作系统也是软件，区别于应用软件的最大特点具有进程管理、内存管理等功能。

一 进程

1.1 什么是进程(process)

进程指的就是正在运行中的程序。进程也是有生命周期，当程序运行结束，则进程结束。如果程序没有运行呢就是代码。所以我们判断是不是进程的最主要区别就是看程序是否正在运行。

1.2 进程分类

1.2.1 按照运行在不同的态分为用户进程和系统进程

第一：运行在用户态的进程就属于用户进程，一般是没有权限操作系统资源的
第二：运行在内核态的进程就属于系统进程，一般是有权限操作系统资源的

1.2.2 按照对CPU的依赖程度

第一：对于CPU依赖较重，则属于计算型的进程，侧重于计算，比较消耗CPU
第二：对于CPU依赖较弱，则属于偏I/O型进程，侧重于IO读写，比较消耗I/O

1.4 进程的状态（5种）

新建态：刚刚创建的进程就处于新建状态
就绪态：处于就绪队列，等待被CPU执行的进程的状态就是就绪态。比如新创建的进程放入就绪队列或者时钟到期CPU将未执行完的进程放入就绪队列
运行态：如果被CPU调度执行，就是运行状态
阻塞态：运行中被阻塞，则处于阻塞态，比如I/O读，或者等待键盘输入等
终止态：进程被终止，则处于中止态

1.9 进程通信(进程之间信息交换或者传递)

我们知道进程是分配系统资源的单位(包括内存地址空间)，因此各个进程拥有的内存地址空间相互独立。
为了保证安全，一个进程是不能直接访问另外一个地址空间。但是有的时候，进程之间信息交换又是必须的，为了保证进程间的通信安全，操作系统提供了一些方式。共享存储、消息传递、管道通信三种方式实现。

1.9.1 共享存储

操作系统为进程分配共享空间，两个进程之间可以通过共享空间来实现通信，但是需要注意的是，进程在访问共享空间的时候应该是互斥的，不然会出现并发问题，互斥是通过操作系统提供的工具实现的，比如P,V操作。
共享存可以基于数据结构或者存储共享。
第一：基于数据结构
比如提供一个16位长度的数组放在共享空间，然后每次进程只能通过这个数组进行通信，速度慢，限制多，是一种低级的通信方式
第二：基于存储区共享
在内存中获取一块位置，数据的形式，存放位置由进程控制，而不是操作系统，这种方式速度快更快，是一种高级的通信方式。

1.9.2 管道通信

管道是指用于连接读写进程的一个共享文件，其实就是在内存开辟的一个大小固定的缓冲区。

二 线程

2.1 线程出现的背景

第一：进程创建、切换资源消耗大
我们知道，进程是资源分配的基本单位，进程的切换需要保存进程状态，那么对资源的消耗很大。
第二：并发能力不强
我们知道，一个应用程序或者说一个进程,是从上往下顺序执行的，如果要执行某一个操作需要耗时很长，比如QQ中上传文件，我们不可能等待文件传输完了再继续视频聊天或者文字聊天吧，所以这种方式并发能力不强

所以，为了提高并发度，减小系统的开销，引入了线程，进程还是资源分配的基本单位，但是不再是CPU调度的基本单位了。线程现在才是调度的基本单位，共享进程的资源。

2.2 用户线程和内核线程

2.2.1 用户级线程(user-level thread)

#1 内核管理所有线程，并向应用程序提供API接口
#2 内核线程才是CPU调度的基本单位，而不是用户级线程。
#3 内核维护同时维护进程和线程的上下文
#4 线程的切换需要内核的支持
#5 一个线程发起系统调用，不会阻塞其他线程运行，时间片分配给线程，所以多线程的进程获取更多的CPU时间
比如WINDOWS实现了内核级线程

2.2.3 混合模型

线程的创建的在用户空间；但是线程的调度在内核空间，比如Solaris操作系统，即多个用户级线程通过多路复用技术，复用多个内核级线程。

3.2.1.2双标志先检查法

设置两个变量pturn = false; qturn = fasle; 表示p q 进程想进入临界区的意愿，比如pturn = true; 表示p进程想进入临界区。
每一个进程进入临界区之前，都会先检查当前有没有其他进程想进入临界区，如果没有则自己进入，然后自己的turn变量设置为true，开始访问临界区，访问结束。自己的turn置为false,表示自己不想进入了。
但是存在的问题就是，如果当p进程先检查q不想进入临界区，然后自己进入，但是还没有来得及将pturn置为true,则时钟中断，然后CPU运行q进程，q进程判断p进程没有意愿进入临界区，则q进程自己进入，则现在两个进程或者线程都进入了临界区。

3.2.2.2 TAS(Test and Set)

单处理器可以使用关闭中断的方式，但是多处理器是不行的，比如两个进程一个存钱一个取钱，同时操作金额，取钱的那个进程关闭中断了，但是另外一个没有，则还是可能给临界变量金额带来错误。
测试并设置(TAS)，是为了防止多处理器并发引入的一种锁，也叫作自旋锁，设计的初衷是忙则等待。有的地方也叫作TSL即Test and Set Lock，其实表达的东西是一样的。
用Java语言来描述：

第一：创建全局的共享变量lock ,初始值是lock = false
第二：进程1调用原子指令TestAndSet(lock)，由于lock = false, 所以更新全局的lock = true,并且返回旧的值false,对于自己来说

优点：实现简单，把上锁和检查用用硬件的方式封装成了原子操作，适合于多处理器机器
缺点：如果要求进程有限等待，比如等待M毫秒，就超时不等待，TLS无法实现；而且如果大量进程或者线程自旋，浪费CPU资源

3.2.2.3 Swap(XCHG)指令

Swap用Java语言描述：

优点：实现简单，把上锁和检查用用硬件的方式封装成了原子操作，适合于多处理器机器
缺点：如果要求进程有限等待，比如等待M毫秒，就超时不等待，没有实现；而且如果大量进程或者线程自旋，浪费CPU资源

3.3 同步机制

3.3.1 信 量机制

信 量(Semaphore)和PV操作
信 量是一种特殊的变量，用于进程之间传递信息的一个整数值，他可以解决同步和互斥问题，比如生产者和消费者问题、读写问题
对信 量可以实施的操作:
init:
P: 给信 量的值减1,比如count–，如果信 量的值小于0，则处于阻塞等待状态；然后将该进程插入到等待队列末尾

V：给信 量的值加1,比如count++，如果信 量小于或者等于0，则唤醒相应等待队列中的一个进程，改变其状态为就绪态，插入到就绪队列
注意：P V 操作是原子操作，执行过程中不允许被中断

缺点：程序编写技巧要求高，易出错

3.3.2 管程(monitor)

管程是一种高级同步机制，由关于共享资源的数据机构及在其上操作的一组过程组成。即它是管理共享资源的，在管理过程中提供了各种的各样操作。
进程只能够调用管程中的操作来间接访问管程中的共享数据结构。

管程要解决两个问题：
第一：互斥
管程是互斥进入的，只能有一个进程调用管程操作，编译器负责保证管程互斥性
第二：同步
管程中设置条件变量以及等待/唤醒操作

可以让一个进程或者线程在条件变量上等待，也可以发送信 将等待在条件变量上的进程或者线程唤醒

遇到的问题：
第一：进程A进入管程，但是需要阻塞等待其他进程的数据
第二：进程A进入等待队列，释放CPU
第三：进程B进入等待队列，但是进程B需要唤醒A，唤醒之后那就是两个进程同时存在
一般多线程是没有这个问题，因为临界区的代码都一样

3.3.3 PThread同步机制

PThread_mutex_lock 有则获取锁，没有阻塞等待
PThread_mutex_tryLock 要么获取锁，要么获取锁失败
PThread_mutex_unlock 释放一个锁

PThread_mutex_wait 阻塞等待，直到被唤醒
PThread_mutex_signal 被其他先程唤醒
PThread_mutex_broadcast 同时唤醒其他所有的线程

3.4 死锁和饥饿

3.4.1 什么是死锁

并发环境下，各进程或者线程因为竞争资源而导致都在等待获取对方手里的资源，导致各进程或者线程阻塞，都没办法向前推进，所以这就是死锁。造成这种死锁的情况，比如因为抛出异常，导致锁或者资源没有被释放,又或者是因为获取资源的顺序。举个例子：
例子1：锁嵌套导致的死锁

当用户A给用户B转账的时候，首先对自己账 from加锁，然后对转入账 加锁，一般情况下没什么问题，但是如果在A给B转账的同时 B也在给A转账，比如：
第一：A转账，对A账户加锁，此时正准备给B账户加锁的时候，时钟中断，CPU切换到了B给A转账的线程
第二：B开始给自己账户加锁，然后给A账户加锁，发现A账户已经被别的线程持有锁，所以就等待
第三：时钟中断，CPU切换到A，A获取B账户的锁，发现B账户被别的线程加了锁，然后就等待
第四：这样也是互相等待释放锁，从而产生了死锁

3.4.2 进程死锁、饥饿和死循环有什么区别

饥饿：指的是长期得不到想要资源，某进程或者线程无法向前推进，比如调度算法中的优先级调度，优先级低的可能很久都不会被调度，从而发生进程或者线程饥饿
死循环：某进程或者线程执行过程中，一直跳不出某个循环的现象，这个和并发没有关系，更多的是逻辑上的错误；而死锁更多是因为并发带来问题

3.4.3 死锁和活锁有啥区别

进程或者线程执行的时候，没有被阻塞，但是无法满足某种条件，导致一直重复的进行操作或者尝试，但是程序就是无法前进。这种就是活锁。

活锁和死锁的区别：
#1 死锁是必须阻塞等待对方线程释放锁资源；活锁则不是阻塞等待，而是重复运行或者重试
#2 死锁是进程或者线程必须持有一个资源，然后去获取另外一个资源；但是活锁没有这个限制

比如ZK中，在阶段1的时候，提案者1提出了M1的方案，然后提交给接收者，返回过半票数；然后提案者2提出了M2的方案，也提交了，因为M2>M1,所以也返回过半票数
当在第二阶段的时候，提案者1提交的时候，发现自己的提案不是最新的，则重新发起新的一阶段请求，提交提案M3,，M3大于M2,同样M3批准
然后提案者在二阶段的时候，发现自己的提案也不是最新的，则重新发起新的一阶段请求，提交提案M4，M4大于M3
如此这样，一直反复。这就是活锁。

3.4.4 死锁产生的必要条件

#1 进程必须是互斥的，即存在竞争临界资源
#2 进程获取资源之后，不能在未结束之前，强行被别的进程夺走，只可以主动释放
#3 进程持有多个资源。即 这个进程在持有某个资源不放的同时，还希望持有别的资源，这时候才会被阻塞
#4 存在资源循环等待

3.4.5 死锁的处理策略

3.4.5.1预防死锁(静态策略)

第一：破坏互斥条件
将互斥资源改造成可以共享的资源，比如使用SPOOLing技术

第二：破坏不剥夺条件
方案1： 当某个进程请求新的资源得不到满足的时候，他必须理科释放掉所保持的资源，待以后重新申请，也就是说先申请的资源即使没有使用，也需要主动释放
方案2：可以借助操作系统强行剥夺，比如优先级调度

第三：破坏请求和保持条件
进程一次性申请完他所需要的全部资源，在资源没有满足的时候，不让其运行；一旦获取资源这个进程，该进程就不会再请求别的任何资源

第四：破坏循环等待条件