三 操作系统之进程和存储管理

在路上lx
584 阅读9分钟

本文已参与「掘力星计划」，赢取创作大礼包，挑战创作激励金。

小知识，大挑战！本文正在参与“程序员必备小知识”创作活动。

  • 操作系统的作用：通过资源管理提高计算机系统的效率;改善人机界面向用户提供友好的工作环境。
  • 操作系统的特征：并发性、 共享性、虚拟性、不确定性。
  • 操作系统的功能：进程管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
  • 操作系统的分类：批处理操作系统、分时操作系统(轮流使用CPU工作片)、实时操作系统(快速响应)、网络操作系统、分布式操作系统(物理分散的计算机互联系统)、微机操作系统(Windows)、嵌入式操作系统。
  • 嵌入式系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次为:
  1. 片级初始化
  2. 板级初始化
  3. 系统初始化
  • 芯片级是微处理器的初始化，板卡级是其他硬件设备初始化，系统级初始化就是软件及操作系统初始化。
  • 计算机启动的基本流程为: BIOS->主 引导记录>操作系统。

一 进程管理

1.1 进程的组成和状态

  • 进程的组成：进程控制块PCB (唯- -标志)、程序(描述进程要做什么)、数据(存放进程执行时所需数据)。
  • 进程基础的状态是下左图中的三态图，这是系统自动控制时只有三种状态，而下右图中的五态，是多了两种状态：静止就绪和静止阻塞，需要人为的操作才会进入对应状态，活跃就绪即就绪，活跃阻塞即等待。

image.png

image.png 上图可知，当人为干预后，进程将被挂起，进入静止状态，此时，需要人为激活，才能恢复到活跃状态，之后的本质还是三态图。

1.2前趋图和进程资源图

1.2.1 前趋图

用来表示哪些任务可以并行执行，哪些任务之间有顺序关系，具体如下图:

image.png

1.2.2 程资源图

用来表示进程和资源之间的分配和请求关系，如下图所示:

image.png

  • P代表进程，R代表资源，R方框中有几个圆球就表示有几个这种资源，在上图中，R1指向P1,表示R1有一个资源已经分配给了P1, P1 指向R2，表示P1还需要请求-一个R2资源才能执行。

  • 阻塞节点:某进程所请求的资源已经全部分配完毕，无法获取所需资源，该进程被阻塞了无法继续。如上图中P2。

  • 非阻塞节点:某进程所请求的资源还有剩余，可以分配给该进程继续运行。如_ 上图中P1、P3。

  • 当一个进程资源图中所有进程都是阻塞节点时，即陷入死锁状态。

  • 进程资源图的化简方法:先看系统还剩下多少资源没分配，再看有哪些进程是不阻塞的，接着把不阻塞的进程的所有边都去掉,形成一一个孤立的点,再把系统分配给这个进程的资源回收回来,这样，系统剩余的空闲资源便多了起来，接着又去看看剩下的进程有哪些是不阻塞的，然后又把它们逐个变成孤立的点。最后，所有的资源和进程都变成孤立的点。

1.3 进程间的同步与互斥

  • 互斥和同步并非反义词，互斥表示一个资源在同一时间内只能由一个任务单独使用，需要加锁，使用完后解锁才能被其他任务使用;

  • 同步表示两个任务可以同时执行，只不过有速度上的差异，需要速度上匹配，不存在资源是否单独或共享的问题。

1.4 PV操作信号量

1.4.1 基本概念

  • 临界资源：各个进程间需要互斥方式对其进行共享的资源，即在某一一时刻只能被-一个进程使用，该进程释放后又可以被其他进程使用。
  • 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码。
  • 信号量：是一种特殊的变量。
    1. 互斥信号量，对临界资源采用互斥访问，使用互斥信号量后其他进程无法访问，初值为1。
    2. 同步信号量，对共享资源的访问控制，初值是共享资料的个数。 PV操作

PV操作是荷兰人Dijkstra发明的。是一种算法思维。
P：翻译成荷兰语passeren， 申请的意思。
V:：翻译成荷兰语vrijgeven， 释放的意思。

  • 解决互斥和同步的问题。PV操作是分开来看的
  • P操作：申请资源，使S=S-1，若 S< 0就排入等待队列等待，大于等于O就继续执行。返回的结果是等待 或 继续执行（通过）。
  • V操作：释放资源，使S=S+1，若S<=0，发送信号唤醒等待队列中的一个进程。可能返回的结果是唤醒。

1.5 进程调度

  进程调度方式是指当有更高优先级的进程到来时如何分配 CPU。分为可剥夺和不可剥夺两种，可剥夺指当有更高优先级进程到来时，强行将正在运行进程的CPU分配给高优先级进程;不可剥夺是指高优先级进程必须等待当前进程自动释放CPU。

  三级调度:高级调度（又称长调度或作业调度，决定哪个作业可以调入系统中)、高级调度(又称对换调度，决定哪个就绪进程可以调入内存中)、低级调度（又称进程调度，决定内存中哪个就绪进程可以占用CPU)。

1.5.1 调度算法:

  • 先来先服务FCFS：先到达的进程优先分配CPU。用于宏观调度。
  • 时间片轮转：分配给每个进程CPU时间片，轮流使用CPU，每个进程时间片大小相同，很公平，用于微观调度。
  • 优先级调度：每个进程都拥有一个优先级，优先级大的先分配CPU。
  • 多级反馈调度：时间片轮转和优先级调度结合而成，设置多个就绪队列 1,2,3..n，每个队列分别赋予不同的优先级，分配不同的时间片长度;新进程先进入队列1的末尾，按FCFS原则，执行队列1的时间片;若未能执行完进程，则转入队列2的末尾，如此重复。

1.6 死锁问题

  当一个进程在等待永远不可能发生的事件时,就会产生死锁,若系统中有多个进程处于死锁状态，就会造成 系统死锁。

  死锁产生的四个必要条件:

  1. 资源互斥、
  2. 每个进程保持和等待其他资源、
  3. 系统不能剥夺进程资源、
  4. 进程资源图是一个环路。

  死锁产生后，解决措施是打破四大条件，有下列方法: 死锁预防:采用某种策略限制并发进程对于资源的请求，破坏死锁产生的四个条件之一，使系统任何时刻都不满足死锁的条件。

image.png

1.6.1 死锁避免

一般采用银行家算法来避免，银行家算法，就是提前计算出一条不会死锁的资源分配方法，才分配资源，否则不分配资源，相当于借贷，考虑对方还得起才借钱，提前考虑好以后，就可以避免死锁。银

  • 死锁检测：允许死锁产生，但系统定时运行一个检测死锁的程序，若检测到系统中发生死锁，则设法加以解除。
  • 死锁解除:：即死锁发生后的解除方法，如强制剥夺资源，撤销进程等。
  • 死锁资源计算：系统内有n个进程，每个进程都需要R个资源，那么其发生死锁的最大资源数为n*(R-1)。其不发生死锁的最小资源数为 n * (R-1) + 1

1.7 线程

传统的进程有两个属性:

  • 可拥有资源的独立单位
  • 可独立调度和分配的基本单位。 引入线程后，线程是独立调度的最小单位，进程是拥有资源的最小单位，线程可以共享进程的公共数据、全局变量、代码、文件等资源，但不能共享线程独有的资源，如线程的栈指针等标识数据。

二 存储管理

存储器的结构：寄存器——高速缓存Cache——主存——外存。
地址重定位：将逻辑地址转换为实际主存物理地址的过程，分为静态重定位(在程序装入主存时就完成了转换)、动态重定位(边运行边转换)。

2.1 分区存储管理

所谓分区存储组织，就是整存，将某进程运行所需的内存整体一起分配给它，然后再执行。有三种分区方式:

  1. 固定分区:静态分区方法，将主存分为若干个固定的分区，将要运行的作业装配进去，由于分区固定，大小和作业需要的大小不同，会产生内部碎片。
  2. 可变分区:动态分区方法，主存空间的分区是在作业转入时划分，正好划分为作业需要的大小，这样就不存在内部碎片，但容易将整片主存空间切割成许多块，会产生外部碎片。可变分区的算法如下: 系统分配内存的算法有很多，如下图所示，根据分配前的内存情况，还需要分配9K空间，对不同算法的结果介绍如下:

image.png

  • 首次适应法：按内存地址顺序从头查找，找到第一个>=9K空间的空闲块，即切割9K空间分配给进程。
  • 最佳适应法：将内存中所有空闲内存块按从小到大排序，找到第一个>=9K空间的空闲块，切割分配，这个将会找到与9K 空间大小最相近的空闲块。
  • 最差适应法：和最佳适应法相反，将内存中空闲块空间最大的，切割9K空间分配给进程，这是为了预防系统中产生过多的细小空闲块。
  • 循环首次适应法：按内存地址顺序查找，找到第一个>=9K空间的空闲块，而后若还需分配，则找下一个，不用每次都从头查找，这是与首次适应法不同的地方。
  1. 可重定位分区:可以解决碎片问题，移动所有已经分配好的区域，使其成为一个连续的区域，这样其他外部细小的分区碎片可以合并为大的分区，满足作业要求。只在外部作业请求空间得不到满足时进行。

2.2 页式存储管理

  如果采用分区存储，都是整存，会出现一个问题，即当进程运行所需的内存大于系统内存时，就无法将整个进程一起调入内存，因此无法运行，若要解决此问题，就要采用段页式存储组织，页式存储是基于可变分区而提出的。

  先介绍页式存储组织，将进程空间分为一个个页，假设每个页大小为4K，同样的将系统的物理空间也分为一个个4K大小的物理块，这样，每次将需要运行的逻辑页装入物理块中，运行完再装入其他需要运行的页，这样就可以分批次运行完进程，而无需将整块逻辑空间全部装入物理内存中，解决了空间极大的进程的运行问题。

  如下图所示，逻辑页分为页号和页内地址，页内地址就是物理偏移地址，而页号与物理块号并非按序对应的，需要查询页表，才能得知页号对应的物理块号，再用物理块号加上偏移地址才得出了真正运行时的物理地址。

image.png

  • 优点:利用率高，碎片小，分配及管理简单。
  • 缺点:增加了系统开销，可能产生抖动现象

2.2.1 地址表示和转换

  • 地址组成:页地址+页内偏移地址;(页地址在高位，页内偏移地址在低位
  • 物理地址:物理块号+页内偏移地址;
  • 逻辑地址:页号+页内偏移地址;   物理地址和逻辑地址的页内偏移地址是一样的，只需要求出页号和物理块号之间的对应关系，首先需要求出页号的位数，得出页号，再去页表里查询其对应的物理块号，使用此物理块号和页内偏移地址组合，就能得到物理地址。

2.2.2 页面置换算法

  有时候，进程空间分为100个页面，而系统内存只有10个物理块，无法全部满足分配，就需要将马上要执行的页面先分配进去，而后根据算法进行淘汰，使100个页面能够按执行顺序调入物理块中执行完。

  缺页表示需要执行的页不在内存物理块中，需要从外部调入内存，会增加执行时间，因此，缺页数越多，系统效率越低。页面置换算法如下:

  • 最优算法:OPT，理论上的算法，无法实现，是在进程执行完后进行的最佳效率计算，用来让其他算法比较差距。原理是选择未来最长时间内不被访问的页面置换，这样可以保证未来执行的都是马上要访问的。
  • 先进先出算法:FIFO，先调入内存的页先被置换淘汰，会产生抖动现象，即分配的页数越多，缺页率可能越多（即效率越低）.
  • 最近最少使用:LRU，在最近的过去，进程执行过程中，过去最少使用的页面被置换淘汰，根据局部性原理，这种方式效率高，且不会产生抖动现象，使用大量计数器，但是没有LFU多。
  • 淘汰原则:优先淘汰最近未访问的，而后淘汰最近未被修改的页面。

2.2.3 快表

  是一块小容量的相联存储器，由快速存储器组成，按内容访问，速度快，并且可以从硬件上保证按内容并行查找，一般用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号。

  快表是将页表存于Cache 中;慢表示将页表存于内存上。慢表需要访问两次内存才能取出页，而快表是访问一次Cache和一次内存，因此更快。

2.3 段式存储管理

  将进程空间分为一个个段,每段也有段号和段内地址,与页式存储不同的是,每段物理大小不同，分段是根据逻辑整体分段的,因此,段表也与页表的内容不同,页表中直接是逻辑页号对应物理块号，而下图所示，段表有段长和基址两个属性，才能确定一个逻辑段在物理段中的位置。

image.png   分页是根据物理空间划分，每页大小相同;分段是根据逻辑空间划分，每段是一个完整的功能，便于共享，但是大小不同。

2.3.1 地址表示

(段号，段内偏移):其中段内偏移不能超过该段号对应的段长，否则越界错误，而此地址对应的真正内存地址应该是:段号对应的基地址+段内偏移。

2.4 段页式存储管理

对进程空间先分段，后分页，具体原理图和优缺点如下:

image.png

avatar
文章
阅读
粉丝