OS基础整理（上）

NoobNiu
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OS初识

操作系统的概念

操作系统是控制和管理计算机内各种硬件和软件资源， 有效组织多道程序运行的系统软件（或程序集合）
是用户和计算机之间的接口。

四大基本功能

  • 储存管理
  • 设备管理
  • 作业和进程管理
  • 文件管理
  • （用户接口服务）

四个基本特征

并发性与共享性为两个最基本特征

  • 并发：指两个或多个活动在同一时间间隔内发生
    • 并行是同一时刻发生，单核处理器下处理多进程时，宏观上并发，微观上交替执行。
  • 共享：多个进程共享有限的计算机操作系统资源
  • 异步性：指各种事件的发生顺序不可预测
    • 由于并发和共享，使得进程间相互制约变得不可预测
  • 虚拟性：一个物理实体映射为多个对应的逻辑实体
    • CPU就是每个进程的‘虚处理机’

CPU的执行状态

  • 核心态：执行OS程序时的状态，有较高特权，可执行一切指令。
  • 用户态：执行用户程序时所处的状态，权限较低，只能执行指令集中的非特权指令。

OS提供的三种接口

image.png

  • GUI接口：图形界面。
  • 命令行接口：由命令程序接收并解释，传递给OS内部程序执行。
  • 程序接口：系统调用是OS内核与用户程序，应用程序之间的接口，位于OS系统最外层，所以内核之外的程序必须由系统调用菜能获得OS的服务。（调用操作系统的API）

几种典型系统

  • 分时系统：一台计算机连接多个终端。
  • 实时系统：指能在规定事件内完成对事件的处理。实时性+高可靠性 | 标题 | 实时系统| 分时系统| | --- | --- | --- | | 交互性 | 专业性强，对操作员要求高 | 应用更广 | | 实时性 | ms-ns级反应 | s级反应 | | 可靠性 | 要求更高，两套系统运行一套备用| 一般 |
  • 批处理系统：系统吞吐量大但是没有交互

进程与线程

杂记

  • 资源分配的基本单位进程,处理机调度单位线程
  • 进程是动态的，程序是静态的根本区别

进程的基本状态及其转换

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  • 运行态：正在被执行，占用CPU资源，进程数小于等于CPU数。
  • 就绪状态：已经获得出了CPU之外的资源，等待分配处理器资源。
  • 阻塞态：等待某个事件的发生（IO操作或者进程同步），在等待的事情发生前有资源也无法运行。
  • 创建态：创建但是一般为还未加入主存中的新进程。
  • 结束态：回收PCB之外的资源，将退出码传给父进程。

进程控制块CPB

  • 概念：OS维护的用来记录进程相关信息的一块内存。
  • 意义：
    • 是进程组成中最关键的部分，
    • 含有进程的描述信息和控制信息，
    • 是进程动态的集中反映，
    • 是系统对进程施行识别和控制的依据。
    • 每个进程有唯一的进程控制块，操作系统根据PCB对进程实施控制和管理
    • 进程的动态，并发特征是利用PCB表现的
    • PCB是进程存在的唯一标志

结构体型信号量S

  • S>0: 该类资源的可用数量
  • S=0：没有可用的该类资源
  • S<0：S的绝对值为被该资源阻塞的进程数

同步与互斥的概念

  • 同步：同步进程通过共享资源来协调行动，在执行时间的次序上有一定约束。
  • 互斥：逻辑上完全独立，但是由于需要使用同一个资源而相互制约且不具有时间次序特征。

线程

线程是进程中实施调度和分派CPU的基本单位。

临界资源与临界区

  • 一次只允许一个进程使用的资源称为临界资源
  • 每个进程访问临界资源的程序叫做临界区。一次只允许一个进程进入临界区。
    • 进入前申请--获批后进入--执行后退出

进程间通信方式

  • 管道通信，用于父子进程通讯
  • 消息队列
  • 共享内存
  • 信号量
  • socket

PV操作编程

生产者消费者问题

  • Producer: 
    while(true){
    p(empty);//使用一个空闲空间
    p(mutex);//一次只有一个进程可以对缓存堆操作
    //生产一个资源
    v(mutex);//释放操作权限
    v(full);//释放一个可用资源
  • Consumer： 
    while(true){
    p(full);
    p(mutex);
    //use a full
    v(mutex);
    v(empty);

锁

死锁

四个必要条件

  • 进程任务互斥
  • 占有且等待（请求并保持）
  • 不可抢占（不可剥夺）
  • 循环等待条件（环路等待）

根本原因

  • 资源有限
  • 操作不当

不发生死锁的最小资源数

  • 所有进程抢夺同一个资源，保证最坏情况（每个进程都占了很多但还是差一点才能运行）下也能有一个进程成功运行。
  • 例：11个资源，每个进程需要三个，则进程数不超过（5）时不会发生死锁。
    • 最坏情况每个进程都抢到两个资源，保证MAX-2N>=1也就是仍然剩余一个则不会发生死锁

死锁的预防

  • 破坏占有并等待
    • 空手申请策略：不占有资源才能申请资源
    • 预分配策略：执行之前一次性获取所有资源或不获取资源
      • 很多情况无法预知所需全部资源
      • 提前获取占有导致资源利用率降低
      • 降低了进程的并发性能
      • 可能出现‘饥饿’现象，无法得到抢手资源
  • 破坏不可抢占
    • 隐式抢占：一个进程在申请资源的等待状态下，其占有的资源可以被其他进程夺走。
    • 抢占等待者：申请资源失败时，可以寻找等待状态的进程抢占其资源
      • 可以用于易于保留和恢复环境的资源（CPU寄存器/内存），不能用于打印机等。
  • 破坏循环等待
    • 资源有序分配：每种资源有唯一不重复优先级，保证各种进程总是按相同的种类顺序请求资源。
      • 编号较难，使用前高优先级资源不合理占有
    • 先弃大再取小法

银行家算法

Allocation：当前已经申请到的资源。
Max：一共需要的资源数。
Need：还需要的资源数。 Work/Availavble：当前可用资源。 不断寻找Work+Allocation >= Max的进程。
运行结束后将当前Allocation释放为Wrok再次寻找。直到所有进程完成。
image.png

处理器调度

三级调度

  • 高级调度（作业调度）：从外存上处于后备状态的作业中挑选若干，为他们分配内存外设等资源，并建立进程，使得他们获得竞争处理器的权利。（一般只有多道批处理系统需要，且高级调度频率较低）
  • 中级调度（内存调度）：内存紧张时，将暂时不能运行的进程调到外存等待（挂起状态），将当前需要的部分换到内存。
  • 低级调度（进程调度）：根据一定算法，将CPU分派给就绪队列的一个进程。毫秒级调度要求执行效率。

调度方式

指当一个进程正在执行时，有高优先级进程就绪时，如何调度的逻辑。
主要有两种：抢占式和非抢占式。

  • 非抢占式：一旦分配CPU给进程，则保持分配到进程完成或转为等待态。
    • 简单，调度开销小
    • 适用于批处理系统，不适大部分的分时系统与实时系统
  • 抢占式：一个进程正在被CPU处理，有高优先级就绪则立即暂停当前进程让出CPU
    • 遵循一定原则，主要有优先权原则，短进程优先原则，时间片原则
    • 更加合理但是开销也更大

调度的性能准则##

  • 面向系统
    • CPU利用率
    • 系统吞吐量：单位时间内CPU完成作业的数量
  • 面向用户
    • 周转时间：作业从提交到完成的时间，包括IO时间等待时间等
    • 就绪等待时间
    • 响应时间

OS的性能参数

  • 字长：CPU能直接处理的二进制数据位数。
  • 运算速度：每秒能执行的指令数。
  • 主频：计算机的时钟频率，MHz单位
  • 内存储器容量与存取速度：内存储器是CPU能直接访问的存储器，其中有需要执行的程序与需要处理的数据。
  • CPU主频：每秒钟能执行的指令数，CPU再单位时间内的运行次数
  • 外设配置

调度算法

短作业优先SJF

  • 非抢占式+需要时间短的先处理
  • 减少平均周转时间

最短剩余时间SRTF

  • 抢占式+新进程比当前进程剩余时间短则替换
  • 平均等待时间短

高相应比HRRF

  • 相应比=（等待时间+用户要求时间）/用户要求时间
  • 非抢占式+挑选高相应比
  • 有利于短作业，但仍然偏向队列式先来先服务，常用于作业调度进程调度

优先级HPF

  • 静态优先级：创建进程时确定优先级（进程类型/资源需求量反比/用户要求）
  • 动态优先级：随着系统运行不断改变（等待时间/进程每使用一个时间片降低一个等级）
  • 抢占式与非抢占式都可使用

轮转法

  • 进程执行一个时间片后暂停并放到队列末尾

周转时间

  • 周转时间：从就绪到执行完毕的事件
  • 平均周转时间：周转时间和/任务个数
  • 带权周转时间：周转时间/运行时间
  • 平均带权周转时间：带权周转时间/任务个数
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