操作系统之概念和进程管理

手辰_
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第 1 章 计算机系统概述

1.1 操作系统的基本概念

1.1.1 操作系统的概念

操作系统的定义： 是管理计算机系统的全部硬件资源包括软件资源及数据资源；控制程序运行；改善人机界面；为其它应用软件提供支持等，使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。

1.1.2 操作系统的功能

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1.1.3 操作系统的特征

并发、共享、虚拟、异步

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1.2 操作系统的发展和分类

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1.3 操作系统的运行机制和体系结构

1.3.1 操作系统的运行机制和体系结构（大内核、小内核）

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大内核：速度快，维护难（linux）

小内核：速度慢，模块清晰（较少使用）

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1.3.2 中断和异常（内中断和外中断、中断处理过程）

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中断处理过程

  • 关中断： CPU响应中断
  • 保存断点： 保存断点是要保存PC中的内容，这部分功能是由终端隐指令来完成的，用来中断返回的时候知道执行到哪里；
  • 找到中断服务程序的地址： 取出中段服务程序的入口，送到pc
  • 保存现场： 主要保存程序状态寄存器和一些通用寄存器里面的内容
  • 开中断： 允许响应更加高级的中断
  • 执行中断服务程序： 执行中断服务程序
  • 关中断： 保证在恢复现场和屏蔽字时不被中断，完成中断后可以恢复现场
  • 恢复现场和屏蔽字
  • 开中断： 返回到最开始中断的用户程序

1.3.3 系统调用（执行过程、访管指令、库函数与系统调用）

1.系统调用知识框架图

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2.系统调用和库函数的区别

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3.系统调用的执行过程

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第 2 章 进程管理

2.1 进程与线程

2.1.1、进程的定义、特征、组成、组织

一、线程的定义

（1）程序的概念

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（2）进程的概念

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（3）进程的定义

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二.进程的特征

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三.进程的组成

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而其中最重要的就是进程控制块PCB（Process Control Block）

PCB简介：

  • PCB中记录了操作系统所需的，用于描述进程的当前情况以及控制进程运行的全部信息。

  • PCB的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的进程。

  • 或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。

  • 例如，当OS要调度某进程执行时，要从该进程的PCB中查处其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；

  • 进程在执行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步，通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；

  • 当进程由于某种原因而暂停执行时，又须将器断点的处理机环境保存在PCB中。

  • 可见，在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，即系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的。

  • 所以说，PCB是进程存在的唯一标志。

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四.进程的组织

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（1）链接方式

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（2）索引方式

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2.1.2 进程状态转换

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2.1.3 进程通信

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2.2.4 线程、多线程模型

1.线程的定义

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2. 线程和进程的区别

线程是CPU调度的基本单元，进程是资源分配的基本单元

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3.线程的实现方案

（1） 用户级线程

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（2）内核级线程

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（3）特殊组合

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4.多线程模型

根据前文对于用户线程和内核线程的实现方案，可以分成以下几种模型

（1）多对一模型

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（2）一对一模型

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（3）多对多模型

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jvm 的线程模型是 一对一模型

2.2 处理机的调度

2.2.1 概念和层次

1.概念

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处理机调度： 按照一定的算法，从就绪队列中选择一个进程将CPU分配给他

2.三种调度

（1）高级调度（磁盘 to 内存）

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（2）中级调度（磁盘 to 内存）

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高级调度和中级调度的区别： 高级调度还没有产生进程（没有分配PCB）,中级调度是已经分配了PCB，再进行的调度

（3）低级调度（内存 to cpu）

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七种状态模型

由于添加了挂起状态（通过虚拟内存技术，将某些暂时不需要的数据放到外存上面），所以五种CPU状态转变位7中CPU状态

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2.2.2 处理机调度时机

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2.2.3 CPU调度算法

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  • 短作业
  • 向来先服务
  • 高相应比
  • 时间片
  • 优先级
  • 多级反馈

2.3 进程的同步与互斥

2.3.1 进程的同步与互斥的概念

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1、进程同步

  • 同步也称为直接制约关系。
  • 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。为了协调进程之间的相互制约关系,如等待、传递信息等，引入了进程同步的概念。进程同步是为了解决进程的异步问题。
  • 就是 A 干完了 B 才能干

同步和异步在网络编程上面的区别： 同步指的是亲历亲为，异步可以理解为让别人去干（回调）

2、进程互斥

  • 互斥，亦称间接制约关系。进程互斥指当一个进程访问某临界资源时，另一个想要访问该临界资源的进程必须等待。当前访问临界资源的进程访问结束，释放该资源之后，另一个进程才能去访问临界资源。

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2.3.2 实现临界区进程互斥的软件实现方法

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1. 单标志

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image.png 只能是 P0先进去然后才能P1进去

2. 双标志先检查法

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在进去之前，先检查下有没有其他线程想要进临界区，如果没有，自己的标志才编程true

3. 双标志后检查法

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4.Peterson算法

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2.2.3 操作系统之实现临界区进程互斥的硬件实现方法

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1、 中断隐藏方法

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2、 TestAndSet指令

  • 执行TSL指令时，它的内部运转逻辑：
  • 假设lock现在为false，代表临界资源A空闲，那么我就可以访问这个资源，同时将lock=true，提醒别的进程，这个临界资源A我正在使用，让他们等等
  • 假设lock为true，代表临界资源正在有人使用，所以我必须等待，并且将lock=true，并不影响什么，所以没关系，只是为了让lock为false时可以上锁，将上锁与检查在一个TSL指令完成。

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3、 Swap指令

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2.3.3 信号量机制（整型信号量、记录型信号量P、V）

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就记住 整形信号量 需要一直循环去探测（理解为CAS操作），记录型信号量理解为 syn ，存在就等待队列可以被唤醒

1 整型

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2 记录形

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2.3.4 管程

就是 java 里面的锁 ，解决了直接使用信号量编码麻烦容易出错的缺点

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2.4 死锁

1.死锁、饥饿、死循环的区别

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2. 死锁的条件（4个，经常问）

  • 互斥访问
  • 不剥夺
  • 请求和保持
  • 循环等待

3. 解决死锁的方法

（一）预防死锁（破坏四个条件）

  • 破坏互斥访问：可以利用SPOOLing 技术，将独占资源改成共享
  • 破坏不剥夺 ： 操作系统去帮忙，当资源不够时候，强行从其他线程抽取资源或者 当某个线程所请求的资源不满足时候，自动放弃所有资源
  • 请求和保持： 一次性请求所有的资源，失败直接阻塞
  • 循环等待： 线程只能按照资源的顺序编号去请求响应的资源

（二）避免死锁

1、安全序列

image.png 如果给了B， 那么三个线程最坏情况下都无法结束，是不安全

==============================================

image.png 如果给了 A ，那么手里还有20 ，可以保证在最坏情况下，A或者T完成，最后B完成，是安全的

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2、 银行家算法

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方法和安全序列是一样的，就是去判断能不能借的问题，不过一个是一维的一个是多维的

死锁监测和解除

1、 死锁监测

画资源分配图，处理时候，先把需要分配的边处理的，然后判断请求边，如果所有的边都可以消除，说明没有死锁

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2、死锁解除

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参考

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