进程/线程调度算法 概念简述

一丶概念理解

      1.操作系统决定是否为每个进程分配资源，什么时候分配，什么时候运行，谓之进程调度，进程为程序的动态运行过程，线程为进程的任务执行单位，一个进程可以有多个线程，多个线程可同时运行，并共享进程内的资源，

         在单核CPU中，进程跟线程实体表现重合，即线程提出的核心就是在多核心下的并发运行以提高程序效率。

 

      2. 死锁：死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程

                  发生条件：1）临界资源竞争条件 ----------资源性质决定，很难从这个死锁条件入手解决死锁问题

                                    2)占有且申请条件      -----------进程占有资源后，申请别的资源时不释放资源，针对该条件的逻辑有：

                                                                                   1）申请资源固定顺序（从小到大或从大到小，亦或是按类分配（设立资源类别数组），如ABC，不能先申请C再申请A），以此达到多个资源申请时，不会互相干扰冲突，缺点为可能用不上（可能程序逻辑先使用C                                                                                            再很久后才使用A），这种申请方式可能导致逻辑数组的前驱元素利用率过低

                                                                                   2)  直接破坏该死锁条件，当申请失败时，要释放已经拥有的资源，如哲学家进餐问题。缺点是冲突时多次尝试，并发效率较低，且有时可能不符合逻辑。（该申请策略要求全部申请后运行，则可能也导致资源利用                                                                                             率低下，如果不是全部申请，那么则可能导致申请使用A后，申请B失败，丢弃A时，丧失了运行状态数据）

                                                                                    

                                    3)资源不可抢占条件 ------------操作系统资源分配策略为非抢占式调度，解决方法为改成可抢占方式（优先级抢占，优先级可由多种因素决定，如运行时间，进程等级，资源占用数量，等待时间等多种因素，优先级可静态变动也可动态变动）

                                    4)环路等待条件      -------------抽象概念对应现实实体可理解为，资源实体和请求多方间形成了环路图形，即形成了锁，解决方法有

                                                                                  1）银行家算法，一种资源分配策略，分配前检测系统分配后是否安全

                                                                                  2）操作系统层面：当发现系统死锁时，以栈方式pop出程序，直至系统重新恢复运行，关键为硬件支持和死锁的检测

 

       活锁：活锁指的是任务或者执行者没有被阻塞，由于某些条件没有满足，导致一直重复尝试，失败，尝试，失败。 活锁和死锁的区别在于，处于活锁的实体是在不断的改变状态，所谓的“活”， 而处于死锁的实体表现为等待；活锁有可能自行解开，死锁则不能。

                  单一实体的活锁:例如线程从队列中拿出一个任务来执行，如果任务执行失败，那么将任务重新加入队列，继续执行。假设任务总是执行失败，或者某种依赖的条件总是不满足，那么线程一直在繁忙却没有任何结果

                 协同导致的活锁:生活中的典型例子： 两个人在窄路相遇，同时向一个方向避让，然后又向另一个方向避让，如此反复

                  

                  对应策略：比如引入一些随机性。例如如果检测到冲突，那么就暂停随机的一定时间进行重试。这回大大减少碰撞的可能性。 典型的例子是以太网的CSMA/CD检测机制（通信原理，冲突时随机决定重试时间0-2^k-1 倍数等待时间）。

                                    比如约定重试机制避免再次冲突。 例如自动驾驶的防碰撞系统（假想的例子），可以根据序列号约定检测到相撞风险时，序列号小的飞机朝上飞， 序列号大的飞机朝下飞。

 

 3.进程同步/异步 冲突解决策略：

                    1.进程同步运行：在多道程序环境下，进程是并发执行的，不同进程之间存在着不同的相互制约关系，典型为生产消费者问题，简单说A和B，B开始运行条件的前提为A完成某种操作，如拓扑排序

                    2.进程异步运行：所谓异步性是指进程以不可预知的速度向前推进。内存中的每个进程何时执行,何时暂停,以怎样的速度向前推进,每道程序总共需要多少时间才能完成等,都是不可预知的，异步运行的程序具有不可预制性，难以重现，

                                                则多个程序在同一临界区异步运行时，可能有各种未知的情况发生。

                   3.原子性操作：“原子”为名，参考概念“指化学反应不可再分的基本微粒”，以此意指某种事物不可再分，而原子性操作，指的就是该操作不可被别的操作所中断干扰，多个原子操作间时序上独立串行，以此避免对同一数据操作造成的意料外的结果，　　

                                            这一点对数据库读写，线程/进程  间对   共享资源/竞争资源  的使用上有重要意义。

 

二丶相应算法策略

      1. 银行家算法：

                          描述：进程请求资源时，对系统状态进行判断，具体逻辑为，计算当前剩余各类资源数量，与请求数量相减，得出分配后资源数量，如果分配的剩余数量足够程序安全运行，则系统安全 

                                设资源种类为K，进程数量为P，则数组结构如下：

                                          1）Available[K]：Available[i]表示剩余资源i的数量

                                          2）MAX[P][K]：Max[ i ] [ j ]表示程序 i  对资源  j  的最大需求数量

                                          3)  Allocation[P][K]: Allocation[ i ][ j ]表示系统已分配给程序 i ，资源k的数量

                                          4）Need[ P ][ k ]: Need[ i ] [ j ]表示进程i需要资源k的数量

                                          5) Request[ i ][ j ]：表示当前进程 i 请求资源 j 的数量

 

                                        

                               安全序列：依次分配剩余资源，使得程序能依次完成，一个状态可有多种序列

                               逻辑依据：⒈数据D请求资源前，系统处于安全状态，有程序，ABCD，那么，剩余资源为x，即ABDC中，如A获得资源x，足够使得程序完成运行，其完成后释放的资源递归可以给BCD运行完毕

                                                    如果D请求资源y，剩余资源x,则判定x-y=k，对任意ABCD，完全分配资源k，如果能使得任意一个程序完成运行，剩余释放资源仍可递归得出安全序列，则请求通过（简而言之，分配后依旧安全则分配）

                                                ⒉使用哈夫曼编码构建二叉树，每次选择节点对应 Need < Available数组的节点进行结合，同层次左边小，右边大，如果形成的二叉树每层有且仅有一个available，且在右方子节点，则存在安全序列，

                                                    遍历左侧子节点名称即为安全序列。

 

                           实现逻辑  1.安全序列判定算法

                                              判定当前系统是否处于安全状态（是否有安全序列），循环遍历Need [ i ][ x] ,若对于每个need[ i ][x]  ,     0<=x<k，恒有Need[i][x]<Available[x],则输出 安全序列 i ，并释放资源（加给Available数组内）

                                              递归进行判定，直至Need[i][x]全部释放，则系统处于安全状态，.

  

                                            2.资源请求算法：

                                                  对请求资源要求进行判定处理：检测当前时间点系统请求数组Request[i][j]，对 数字i ，j 遍历对比对应的 Need[ i ] [ j ] ,Available[ i ][ j ]

                                                   令i =0，循环判断

                                                  2.1)若Need[ i ][ j ]<Request[ i ][ j ],则请求非法，拒绝请求,,否则进入步骤2.2

                                                  2.2) 若Available[ x ]对于每个x都有 Request[ i ][ x ]  < 若Available[ x ],则进入下一步2.3，否则挂起请求，i+1，返回步骤2.1进行判断

                                                 2.3)对0<=x<k， 计算 Available[ x ]-Requestt[ i ][ x ] =Left[x],让left数组作为参数，传入安全序列判定算法，若存在安全序列则分配，不存在则拒绝。

                               

                                         3.关于简易的资源请求判定原则

                                            1.如果将资源种类限定为1，则由哈夫曼树构造可知，可以将每个资源种类视为单节点，以此与available节点进行结合构造哈弗曼树，成功则有安全序列

                                            扩展：将资源种类判定为k，则将哈夫曼树节点结合的原则改为选择进程i对应大小为k的数组Need[i],小于available则结合，否则拒绝，构造成功则接受

                                            2.部分请求原则：安全序列的判定，实际上是将其need对应的最大值与availbale进行比较，那么如果其在安全序列第一元素，其部分请求也一定能使得其处于安全序列

                                              由实际实现和逻辑可知，安全序列不一定只有一个，如果知道所有的安全序列组合，若有新的请求k，只需要遍历这些组合，看其首个元素是否为请求k对应的进程，是则接受，否则拒绝

                                     

      2. CAS(Check_And_Swap或者说Compare_And_Set )算法（待补充）：

                 1.c++11，automic头文件描述参考：https://blog.csdn.net/yockie/article/details/8838686

                 2.CAS算法实现参考：https://blog.csdn.net/weixin_40825228/article/details/80801596

                                                     https://blog.csdn.net/yishizuofei/article/details/78353722