#操作系统
信号量机制存在的问题：编写程序困难、易出错。1973年，Brinch Hansen 首次在程序设计语言 (Pascal) 中引入了“管程”成分——一种高级同步机制。
管程（Monitor）是一种特殊的软件模块，有这些部分组成：
- 局部于管程的共享数据结构说明；
- 对该数据结构进行操作的一组过程（函数抽象）；
- 对局部于管程的共享数据设置初始值的语句；
- 管程有一个名字。
管程的基本特征：
- 局部于管程的数据只能被局部于管程的过程所访问；
- 一个进程只有通过调用管程内的过程才能进入管程访问共享数据；
- 每次仅允许一个进程在管程内执行某个内部过程。
引入管程的目的无非就是要更方便地实现进程互斥和同步。
- 需要在管程中定义共享数据（如生产者消费者问题的缓冲区）
- 需要在管程中定义用于访问这些共享数据的“入口”——其实就是一些函数（如生产者消费者 问题中，可以定义一个函数用于将产品放入缓冲区，再定义一个函数用于从缓冲区取出产品）
- 只有通过这些特定的“入口”才能访问共享数据
- 管程中有很多“入口”，但是每次只能开放其中一个“入口”，并且只能让一个进程或线程进 入（如生产者消费者问题中，各进程需要互斥地访问共享缓冲区。管程的这种特性即可保证一 个时间段内最多只会有一个进程在访问缓冲区。注意：这种互斥特性是由编译器负责实现的， 程序员不用关心）
- 可在管程中设置条件变量及等待/唤醒操作以解决同步问题。可以让一个进程或线程在条件变量 上等待（此时，该进程应先释放管程的使用权，也就是让出“入口”）；可以通过唤醒操作将等待在条件变量上的进程或线程唤醒。
- 死锁（deadlock），是指各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进的现象。
- 饥饿（hunger），是由于长期得不到想要的资源，某进程无法向前推进的现象。比如：在短进程优先（SPF）算法 中，若有源源不断的短进程到来，则长进程将一直得不到处理机，从而发生长进程“饥饿”。
- 死循环（dead loop），是某进程执行过程中一直跳不出某个循环的现象。有时是因为程序逻辑 bug 导致的，有时是 程序员故意设计的。
这三者都是都是进程无法顺利向前推进的现象 （故意设计的死循环除外）。
| 现象 | 区别 |
|---|---|
| 死锁 | 死锁一定是“循环等待对方手里的资源”导致的，因此如果有死锁现象，那至少有两个或两个以上的进程同时发生死锁。另外，发生死锁的进程一定处于阻塞态。 |
| 饥饿 | 可能只有一个进程发生饥饿。发生饥饿的进程既可能是阻塞态(如长期得不到 需要的I/O设备)，也可能是就绪态(长期得不到处理机) |
| 死循环 | 可能只有一个进程发生死循环。死循环的进程可以上处理机运行（可以是运行 态），只不过无法像期待的那样顺利推进。死锁和饥饿问题是由于操作系统分 配资源的策略不合理导致的，而死循环是由代码逻辑的错误导致的。 |
死锁和饥饿是管理者（操作系统）的问题，死循环是被管理者的问题。
产生死锁必须同时满足一下四个条件，只要其中任一条件不成立，死锁就不会发生。
- 互斥条件（Mutual Exclusion）：只有对必须互斥使用的资源的争抢才会导致死锁（如哲学家的筷子、打印机设备）。 像内存、扬声器这样可以同时让多个进程使用的资源是不会导致死锁的（因为进程不用阻塞等待 这种资源）。
- 不剥夺条件（No Preemption）：进程所获得的资源在未使用完之前，不能由其他进程强行夺走，只能主动释放。
- 请求和保持条件（Hold and Wait）：进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进程占有，此时请 求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。
- 循环等待条件（Circular wait）：存在一种进程资源的循环等待链，链中的每一个进程已获得的资源同时被下一个进程所请求。
注意！发生死锁时一定有循环等待，但是发生循环等待时未必死锁（循环等待是死锁的必要不充分条件）。
- 预防死锁。破坏死锁产生的四个必要条件中的一个或几个。
- 避免死锁。用某种方法防止系统进入不安全状态，从而避免死锁（银行家算法） 。
- 死锁的检测和解除。允许死锁的发生，不过操作系统会负责检测出死锁的发生，然后采取某种措施解除死锁。
死锁的产生必须满足四个必要条件，只要其中一个或者几个条件不满足，死锁就不会发生。
如果把只能互斥使用的资源改造为允许共享使用，则系统不会进入死锁状态。比如: SPOOLing技术。
操作系统可以采用 SPOOLing 技术把独占设备在逻辑上改造成共享设备。比如，用 SPOOLing 技术将打印机改造为共享设备，使用共享队列的技术，将设备资源虚拟化共享。
该策略的缺点：并不是所有的资源都可以改造成可共享使用的资源。并且为了系统安全，很多地方还必须保护这种互斥性。因此，很多时候都无法破坏互斥条件。
- 方案一：当某个进程请求新的资源得不到满足时，它必须立即释放保持的所有资源，待以后需要时再重新申请。也就是说，即使某些资源尚未使用完，也需要主动释放，从而破坏了不可剥夺条件。
- 方案二：当某个进程需要的资源被其他进程所占有的时候，可以由操作系统协助，将想要的资源强行剥夺。这种方式一般需要考虑各进程的优先级（比如：剥夺调度方式，就是将处理机资源强行剥夺给优先级更高的进程使用）
进程已经保持了至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源又被其他进 程占有，此时请求进程被阻塞，但又对自己已有的资源保持不放。 可以采用静态分配方法，即进程在运行前一次申请完它所需要的全部资源，在它的资源未满足前， 不让它投入运行。一旦投入运行后，这些资源就一直归它所有，该进程就不会再请求别的任何资源 了。
可采用顺序资源分配法。首先给系统中的资源编号，规定每个进程必须按编号递增的顺序请求资源， 同类资源（即编号相同的资源）一次申请完。 原理分析：一个进程只有已占有小编号的资源时，才有资格申请更大编号的资源。按此规则，已持 有大编号资源的进程不可能逆向地回来申请小编号的资源，从而就不会产生循环等待的现象。