Процессы и потоки в ОС

Чем процесс отличается от потока, состояния процесса, планирование, взаимоблокировки, мьютексы и семафоры — база лабораторных по ОС.

Процесс и поток

Формулировка для защиты: процесс — это единица владения ресурсами, поток — единица планирования и выполнения.

Состояния процесса

• Новый — создаётся, ресурсы ещё не выделены.
• Готовый — всё есть, ждёт процессор.
• Выполняющийся — занимает процессор.
• Ожидающий (блокированный) — ждёт ввод-вывод или событие.
• Завершённый — работа окончена, освобождаются ресурсы.

Ключевой переход: из состояния «ожидающий» процесс попадает не сразу на выполнение, а в очередь готовых. Это стандартная ловушка в тестах.

Алгоритмы планирования

Проблема синхронизации

Состояние гонки (race condition) возникает, когда два потока одновременно меняют общие данные и результат зависит от порядка выполнения. Классический пример — счётчик: операция i++ не атомарна, она состоит из чтения, инкремента и записи.

import threading

counter = 0
lock = threading.Lock()

def worker():
    global counter
    for _ in range(100_000):
        with lock:          # критическая секция
            counter += 1

ts = [threading.Thread(target=worker) for _ in range(4)]
for t in ts: t.start()
for t in ts: t.join()
print(counter)   # без lock результат каждый раз разный

Средства синхронизации

• Мьютекс — двоичный замок, владелец один; освобождать должен тот, кто захватил.
• Семафор — счётчик, разрешает доступ N потокам одновременно (например, пул из 3 соединений).
• Условная переменная — ожидание события с последующим пробуждением.
• Монитор — высокоуровневая конструкция языка, объединяющая мьютекс и условные переменные (synchronized в Java, lock в C#).

Взаимоблокировка (deadlock)

Возникает при одновременном выполнении четырёх условий Коффмана: взаимное исключение, удержание с ожиданием, отсутствие вытеснения, циклическое ожидание. Чтобы не было deadlock, достаточно исключить любое из них.

1. Предотвращение: захватывать ресурсы всегда в одном и том же порядке — разрывает циклическое ожидание.
2. Избежание: алгоритм банкира, выдающий ресурсы только в безопасное состояние.
3. Обнаружение и восстановление: строить граф ожидания, при цикле снимать один из процессов.
4. Игнорирование («страусиный алгоритм») — то, что делают большинство ОС общего назначения.