操作系統速記（基礎）—處理器管理

處理器管理

• 程序：爲完成特定任務的指令序列

• 順序執行：多個任務按順序執行，多個任務多次執行結果一致

• 併發執行：一個程序尚未結束，另一個程序已經開始執行，多個任務多次執行結果不一致

進程

• 概念：程序的一次執行

• 系統資源分配的基本單位

• 進程的三個基本狀態

• 運行狀態：獲得CPU資源執行
• 等待狀態：等待資源
• 就緒狀態：獲得除CPU外的必須資源

• 進程狀態的變化圖

• 進程控制塊(PCB)：保存與其他進程、系統資源以及進程所處狀態的數據結構

• 進程隊列：PCB與PCB之間通過隊列的形式進行存儲

• 處理器執行狀態

  核心態：操作系統管理代碼執行時機器的狀態

  用戶態：用戶進程執行時機器的狀態

• 原語：執行時具有原子性的一系列指令

• 進程調度的算法

  • 批處理系統

    • 先來先服務：誰先來誰先執行
    • 短作業優先調度算法：優先調度執行時間短的作業，會出現長作業餓死的情況
    • 最短剩餘時間調度算法：新增加的作業比當前執行的作業所需時間短，則讓出CPU給新增加的作業

  • 交互式系統

    • 優先數調度：爲每個進程分配一個優先數，按優先數調度進程
    • 時間片輪轉調度：每個進程執行固定的時間後掛起
    • 多級反饋隊列：分爲多個隊列，第一隊列優先級最高，時間片最少，第二隊列優先級次高，時間片次低，以此類推，進程首先進入第一隊列，時間片用完後，沒執行完，進入第二隊列

線程

• 概念：進程中的一個實體，可以併發執行，具有相同的地址空間，是獨立參與調度的基本單位

• 線程控制塊(TCB)：記錄了線程的標識符、線程執行時的狀態信息

• 分類：

  • 內核級線程：內核在其空間內執行線程的創建、調度和管理

  • 用戶級線程：內核並不知道線程的存在，線程的創建、終止、同步和調度等在用戶級完成

  • 混合級線程：同時支持內核級與用戶級線程

進程同步與互斥

• 臨界區：對共享資源進行訪問的程序段

• 臨界資源：共享的資源

• 信號量：表示可使用的某一資源的個數，使用PV原語操作對其進行增減操作，P爲減少信號量的值，V爲增加信號量的值，信號量可爲負，此時絕對值表明等待該資源的進程個數

• 進程互斥

  • 概念：由於競爭共享資源導致進程執行具有先後順序

  • 實現機制：

    • 互斥量：信號量取值只有0與1時，此時信號量爲互斥量

• 進程同步

  • 概念：由於進程之間的相互合作導致進程執行具有先後順序，一個進程的執行依賴於另外一個進程的結果

  • 實現機制：

    • 信號量：一個信號量與一個進程運行的結果關聯

    • 管程

      • 概念：任一時刻只有一個進程可以執行管程中的代碼

      • 等待機制

        • 目的：由於缺乏資源而導致進程掛起，若沒有等待機制，則沒有任何進程可以執行管程中的代碼

        • wait()操作：將進程阻塞在等待隊列中，釋放管程

        • signal()操作：將等待隊列中的一個進程喚醒

        • 問題：管程中執行的進程可以執行signal()操作，此時會有兩個進程在管程中，解決方案：

          • 執行signal的進程等待，直到被釋放進程退出管程或進入等待隊列
          • 被釋放進程等待，直到執行signal的進程退出管程或進入等待隊列

  • 經典同步問題：

    • 哲學家就餐問題

    • 讀者寫者問題

    • 生產者消費者問題

      經典同步問題的求解需要較多篇幅，此處不總結

進程通信

• 概念：進程之間的相互作用

• 分類

  • 低級通信：進程同步與互斥
  • 高級通信：用於傳輸大量信息

• 高級通信

  • 分類

    • 共享存儲器：進程通過某些數據結構或共享存儲區進行通信

    • 管道通信

      • 概念：用於連接一個讀進程與一個寫進程，以實現它們之間通信的共享文件

      • 特點：

        • 互斥：不能同時讀寫
        • 同步：滿寫和空讀的等待
        • 判斷對方是否存在，雙方存在纔可以通信

      • 分類

        • 直接通信

          概念：每個進程都有一個名字，需指定信息接收進程的名字

          特點：自動建立鏈路，對應一對通信進程，鏈路可以是單向，也可以是雙向

        • 間接通信：進程間發送或接收消息通過一個信道來進行，每個信箱有一個唯一的標識符，多個進程可共享一個信箱

死鎖

• 概念：每一個進程佔用了某個資源而又等待另一進程所佔用的資源，導致沒有進程可以運行的情況

• 原因

  1、資源競爭

  2、進程推進順序不當

  兩者共同作用造成了死鎖

• 產生死鎖的必要條件

  必須同時滿足下列四個必要條件

  • 互斥條件：任一時刻一個資源僅爲一個進程佔有
  • 佔有且等待條件：一個進程無法運行時，不釋放佔有的資源
  • 不剝奪條件：資源不可搶佔
  • 循環等待條件：存在一個進程資源循環等待鏈

• 解決死鎖的方法

  • 預防：限制併發進程對資源的請求

    • 破壞互斥條件：是資源可同時訪問而不是互斥使用

    • 破壞佔有和等待條件

      靜態分配策略：一個進程必須在執行前就申請它所需要的全部資源

    • 破壞不剝奪條件：允許進程搶佔資源

    • 破壞循環等待條件

      • 層次分配策略

        • 資源分層
        • 進程得到較低層的資源後，纔可以申請高一層的資源
        • 進程釋放完高層的資源後，才能釋放底層的資源
        • 進程只能佔有一層中的一個資源

      • 按序分配策略

        • 給系統的所有資源劃分優先級
        • 進程只有佔據低優先級的資源後，纔可佔用高優先級的資源

  • 避免：系統在分配資源時，根據資源使用情況進行預測，避免死鎖的發生

    銀行家算法

  • 檢測：通過一個機構檢測死鎖是否發生

    資源分配圖

  • 解除：與檢測配套的措施，用於解除死鎖狀態

    • 結束所有進程，重啓操作系統
    • 撤銷涉及死鎖的所有進程，解除死鎖後繼續運行
    • 逐個撤銷涉及死鎖的進程，看剩餘進程是否可以執行
    • 從涉及死鎖的某個進程中搶佔資源，將其分配給其他進程，知道死鎖解除