处理器的两种状态

用程序状态字寄存器PSW中的某标志位来识别当前处理器处于什么状态

• 核心态
• 用户态

核心态

处理器处于核心态时，程序可以执行特权指令和非特权指令，使用所有资源

用户态

处理器处于用户态时，只能执行非特权指令，比如“清空内存”这种特权指令不能在用户态执行

PSW

某标志位可以识别处理器处于什么状态，主要作用是实现程序状态的保护和恢复

用户栈和核心栈

用户栈

用户进程空间中开辟出的内存区域

核心栈

每个进程被创建时捆绑一个，是内存中属于os空间的区域

中断

• 外中断（中断）
• 内中断（异常） 本质：发生中断就意味着需要os介入，开展管理工作

中断是实现“用户态”->“核心态”的唯一途径

而“核心态”->“用户态”是通过执行一个特权指令，将PSW的标志位置为用户态

cpu与外部设备的并行工作的硬件基础是中断和通道

内中断

信号来源：cpu内部与当前执行指令

分为：

• 自愿中断
• 强迫中断

自愿中断

指令中断，系统调用时的访管指令

软件中断

硬件中断，如缺页

软件中断，整数除0

外中断

信号来源：cpu外部与当前执行的指令无关

• 外设请求，如IO操作完成发出中断信号

• 人工干预，如用户强行终止一个进程

进程

引入多道程序技术之后，内存中同时放入多道程序，各个程序的代码、运算数据存放的位置不同。os要怎么才能找到各程序的存放位置？

系统为每个运行的程序配置了一个数据结构，成为进程控制块（PCB），用来描述进程的各种信息

PCB是进程存在的唯一标志

进程实体

也叫进程映像

• PCB
• 程序段
• 数据段
• 核心栈

一般情况下，把进程实体就简称为进程

PCB组成

• 进程描述信息，PID
• 进程控制和管理信息，进程当前状态、进程优先级
• 资源分配清单，程序段指针、数据段指针、键盘、鼠标
• 处理机相关信息，各种寄存器值

进程定义

• 进程实体的运行过程（动态性）
• 系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程状态及转换（进程控制）

三种基本基本状态

• 执行态
• 就绪态
• 等待态 执行态：占有cpu，并在CPU上运行

就绪态：已具备运行条件，但由于没有空闲cpu，而，暂时不能运行

阻塞态：又叫等待态，因等待某一事件而暂时不能运行，如等待os分配打印机、等待读磁盘操作的结果。

还有两种状态：

新建态：进程正在被创建，os为进程分配资源、初始化PCB

“终止态”：进程正在从系统中撤销，os会回收进程拥有资源、撤销PCB

再新增两种状态： “挂起就绪态” “挂起阻塞态”

什么是挂起？为什么要有“挂起”状态？

为了让某些进程暂时不参与低级调度，释放它占有的资源，以减小1系统负荷为目的而引入挂起态

状态转换

五状态转移图 七状态转移图

运行态->阻塞态是进程自身做出的主动行为

阻塞态->就绪态不是进程自身控制的，是一种被动行为

所以，不能由阻塞态->运行态，也不能由就绪态->阻塞态，因为进入阻塞态是进程主动请求的，必然需要进程在运行时才能发出这种请求

原语

用原语实现进程控制

原语的特点是执行期间不允许中断，只能一气呵成。这种不可被中断的操作叫原子操作

原语采用“关中断指令”和“开中断指令”

关/开中断指令的权限非常大，必然只允许在核心态下执行特权指令

线程

线程是处理机调度的基本单位

引入线程带来的变化

引入线程前	引入线程后
进程是资源分配、调度的基本单位	进程是资源分配的基本单位，线程是调度的基本单位
只能进程并发	进程内的线程之间也能并发，提升了并发度
进程间并发需要切换运行环境，开销大	如果同一进程内的线程切换，则不需要切换进程环境，开销少

线程的实现方式

用户级线程

用户级线程由应用程序通过线程库实现。所有的线程管理工作都由应用程序负责，用户级线程中，线程切换可以在用户态下即可完成，无需os干预

在用户看来，是有多个线程，但是在os内核看来，并没有意识到线程的存在

内核级线程

内核级线程的管理工作由os内核完成，线程调度、切换等工作等都由内核负责，因此内核级线程的切换需要在核心态下才能完成

处理机的三个层次调度

• 高级调度（作业调度）
• 中级调度（内存调度）
• 低级调度（进程调度）

高级调度

按一定的规则从外存上处于后备队列的作业中挑选一个（或多个）作业，给他们分配内存等必要资源，并建立相应进程（建立PCB），使他们获得竞争处理机的权利

对进程状态的影响：无->创建态->就绪态

每个作业只会被调入一次，调出一次

中级调度

引入虚拟存储技术之后，可将暂时不能运行的进程调至外存等待，等它重新具备了运行条件且内存有空闲时，再重新调入内存。

这么做是为了提高内存利用率和系统吞吐量

暂时调到外存等待的进程状态为挂起状态，注意：PCB并不会一起调到外存，而是会常驻内存。PCB会记录进程数据在外存中的存放位置，进程状态等信息，os通过内存中的PCB来保持对各个进程的监控、管理。被挂起的进程PCB会被放到挂起队列中

中级调度，就是要决定将哪个处于挂起状态的进程重新调入内存，一个进程很可能会被多次调入调出内存，因此中级调度发生的频率要高于高级调度

对进程状态的影响：挂起态->就绪态

低级调度

其主要任务是按照某种方法和策略从就绪队列中选取一个进程，将处理机分配给它

进程调度是os中最基本的一种调度，在一般的os中都必须配置进程调度

频率很高，一般几时毫秒一次

对进程状态的影响：就绪态->执行态

调度算法的评价标准

• cpu利用率
• 系统吞吐量
• 周转时间
• 响应时间

系统吞吐率

单位时间内完成的作业数量

周转时间

从作业提交给系统开始，到作业完成为止这段时间

它包括4个部分：

• 作业在外存后备队列上等待作业调度的时间
• 进程在就绪队列上等待进程的时间
• 进程在cpu上执行的时间
• 进程等待IO操作完成的时间 后三项在一个作业处理过程中，可能发生多次

平均周转时间

各作业周转时间之和/作业数

带权周转时间

作业周转时间/作业实际运行时间

响应时间

指从用户提交请求到首次产生响应所用的时间

调度算法

• 先来先服务（FCFS）
• 短作业（SJF）
• 高响应比优先（HRRF）

先来先服务（FCFS）

算法思想

主要从“公平”的角度考虑

算法规则

按作业/进程到达的先后顺序服务

用于作业/进程调度？

用于作业调度时，考虑的是哪个作业先到达后备队列

用于进程调度时，考虑的是哪个进程先到达就绪队列

抢占式？

非抢占式

优缺点

优点：公平、算法实现简单

缺点：排在长作业（进程）后面的短作业需要等待很长时间，对长作业有利，对短作业不利

导致饥饿？

饥饿：某进程/作业长期得不到服务

不会饥饿

短作业优先（SJF）

算法思想

追求最少的平均等待时间，最少的平均周转时间

算法规则

最短的作业/进程优先得到服务（所谓最短，指要求服务时间最短，即执行时间）

用于作业/进程调度？

可用于作业调度，也可用于进程调度（SPF）

抢占式？

非抢占式，但也有抢占式的版本--最短剩余时间优先（SRTN）

优缺点

优点：“最短”平均等待时间、最少平均周转时间

缺点：对短作业有利，对长作业利，可能会导致饥饿

导致饥饿？

可能会

高响应比优先（HRRF）

算法思想

综合考虑作业/进程的等待时间和要求服务的时间

算法规则

在每次调度时先计算各个作业/进程的响应比，选择响应比最高的作业/进程为其服务

响应比=（等待时间+要求服务时间）/要求服务时间

用于作业/进程调度？

可用于作业/进程调度

抢占式？

非抢占式

当前运行的作业/进程主动放弃处理机时，才需要调度，才需要计算响应比

优缺点

导致饥饿？

不会

时间片轮转（RR）

算法思想

公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应

算法规则

按照各进程到达就绪队列的顺序，轮流让各个进程执行一个时间片（如100ms）。若进程未在一个时间片内执行完，则剥夺处理机，将进程重新放到就绪队列队尾重新排队

用于作业/进程调度？

可用于进程调度（只有作业放入内存建立了相应的进程后，才能被分配处理机时间片）

抢占式？

若进程未能在时间片内运行完，将被强行剥夺处理机使用权，因此时间片轮转调度算法属于抢占式的算法，由时钟转置发出时钟中断来通知cpu时间片已到

优缺点

优点：公平、响应快，适用于分时操作系统

缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度

导致饥饿？

不会

优先级调度

算法思想

随着计算机的发展，特别是实时操作系统的出现，越来越多的应用场景需要根据任务紧急程度来决定处理顺序

算法规则

调度时选择优先级高的作业/进程

用于作业/进程调度？

都可

抢占式？

都有

优缺点

优点：优先级区分紧急程度、重要程度，适用于实时os

缺点：若源源不断的有高优先级进程到来，则可能导致饥饿

导致饥饿？

会