操作系统原理的关键在于“一个观点、两条线索”:一个观点是以资源管理的观点来定义操作系统;两条线索是指操作系统如何管理计算机各类资源和控制程序的执行。
操作系统的类型和结构
从资源管理的角度看,操作系统主要是对以下部分进行管理:
- 处理器
- 存储器
- 文件
- 设备
- 作业
操作系统在计算机和用户之间起接口的作用。操作系统为用户提供的接口表现形式一般为:命令、菜单、窗口之类的;而操作系统为应用程序提供的接口为API 。操作系统与硬件/软件的关系如图2-1所示。
操作系统基本原理
操作系统的功能主要是进行以下工作:
- 处理机管理(进程管理)
- 存储管理
- 设备管理
- 文件管理
- 作业管理
进程管理
处理机是计算机系统的核心资源,由于计算机速度越来越快,处理机的充分利用有利于系统效率的大大提高;处理机管理是整个操作系统的重心所在,其管理的好坏直接影响整个系统的运行效率;而且操作系统中并发活动的管理和控制是处理机管理下实现的,处理机管理集中了操作系统中最复杂的部分,它的设计好坏关系到整个系统的成败。
为了动态看待操作系统,以进程作为独立运行的基本单位,以进程作为分配资源的基本单位。因此,处理机管理也被称为进程管理。其功能主要是组织和协调用户对处理机的争夺使用,把处理机分配给进程,对进程进行管理和控制,最大限度发挥处理机的作用。
进程三态模型
由进程运行的间断性,决定进程至少具有以下三种状态:
- 就绪状态:当进程已分配了除CPU以外所有必要的资源后,只要能再获得处理机,便能立即执行;
- 执行状态:进程已获得处理机,其程序正在执行;
- 阻塞状态:进程因发生某事件(如请求、I/O、申请缓冲空间等)而暂时执行时的状态,也就是进程执行时受到阻塞。有时也称为“等待”状态、“睡眠”状态。
挂起状态
在不少系统中,进程只有如图2-2 的三种状态,但在另一些系统中,又增加了一些新的状态,其中最重要的就是挂起状态。引入挂起状态的原因是:
- 对换需要。为了缓和内存紧张的情况,而将内存中处于阻塞状态的进程换至外存上,使进程又处于一种有别于阻塞状态的新状态。因为即使该进程所期待的事件发生了,该进程仍不具备执行条件而不能进入就绪队列,称这种状态为挂起状态。
- 终端用户的请求。当终端用户在自己的程序运行期间,发现有可疑问题时,往往希望使自己的进程暂停下来。也就是说,使正在执行的进程暂停执行,若是就绪进程,则不接受调度以便研究其执行情况或对程序进行修改。把这种静止状态也称为挂起状态。
- 父进程请求。父进程常希望挂起自己的子进程,以便考查和修改子进程,或者协调各子进程间的活动。
- 负荷调节的需要。当实时系统中工作负荷较重,有可能影响到对实时任务的控制时,可由系统把一些不重要的进程挂起,以保证系统正常运行。
- 操作系统的需要。操作系统希望挂起某些进程,以便检查运行中资源的使用情况及进行记账。
ps: 里面静止阻塞->静止就绪 要注意,此时阻塞条件与挂起条件无关,即使满足了阻塞条件,但依旧无法运行,状态不会变成活跃阻塞,而会变成 静止就绪。
进程互斥 / 进程同步
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临界资源 : 一次仅允许一个进程使用的资源;
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临界区:一个进程访问临界资源的那段程序代码,也就是互斥锁作用域得那段代码。
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进程互斥:一组并发进程中,临界资源在某一时刻只被一个进程访问;
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进程同步:进程之间是异步执行的,但是各进程按照一定的制约顺序和速度执行。
ps: 互斥是资源的竞争关系,同步是进程间的协作关系。
因此,必须有专门的同步机构来协调这2组关系。在操作系统中,信号量是一个整数,当信号量大于等于0时,表示可供并发进程使用的资源实体数;当信号量小于0时,表示正在等待使用临界区的进程数。
对信号量只能施加特殊的操作:P操作 和V操作。两者都是不可分割的原子操作,也称为原语。因此,P原语和V原语执行期间不允许中断发生。P操作的过程是将信号量-1,而V操作的过程是将信号量+1 。
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针对进程互斥,设信号量mutex 用于互斥的信号量,初值为1,该信号量为公用信号量,表示没有并发进程使用该临界区,于是各并发进程的临界区可改写成下列形式的代码段:
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针对进程同步,需要引入私用信号量,私用信号量只与制约进程和被制约进程有关,而不是与整组并发进程相关。经典同步问题的例子“生产者-消费者”问题,这要求存后再取,取后再存,即有两个制约关系,为此,需要2个信号量,表示缓冲区中的空单元数和非空单元数,记为Bufempty 和 Buffull ,它们的初始值分别为 1 和 0 ,相应的程序段形式如下:
前趋图
前趋图 是一个由结点和有向边构成的有向无循环图,用于表现事务间先后顺序的制约关系。
假设一条指令由Ai 、Bi 、 Ci 三步组成,则图中A1 没有前趋结点,称为开始结点,它不受任何制约,可以直接执行;而B1 和A2 只有在A1 执行完成后才可以开始,而B2必须在B1 和A2完成后才可以开始;C3没有后继结点,称为终止结点。
在前趋图中,执行先后顺序的制约关系可分为2种:直接制约 和间接制约。
- 直接制约: 指一个操作中,多个步骤之间的制约关系,也可以说是“同步的进程之间的制约关系”。如图2-4 中,A1 、B1、C1 直接制约。
- 间接制约:指多个操作之间相同步骤之间的制约关系,也可以说是“互斥的进程之间的制约关系”,如图2-4中,A1、A2、A3 间接制约。
进程调度
进程调度即处理器调度(又称为上下文转换),主要功能是让正在执行的进程改变状态并转入就绪队列的队尾,再由调度原语将就绪队列的队首进程取出,投入执行。
进程调度的方式有2类:剥夺方式和非剥夺方式。
- 剥夺方式:当就绪队列中有进程的优先级高于当前执行进程的优先级,便立即发生进程调度,转让处理机;
- 非剥夺方式:一旦某个作业或进程占用了处理器,别的进程就不能把处理器从这个进程手中夺走,直到该进程自己因调用原语操作而进入阻塞操作,或时间片用完而让出处理。
调度算法有:
- 先来先服务(First Come and First Served ,FCFS)调度算法,又称先进先出(First In and First Out ,FIFO);
- 优先数调度。确定优先级的方法有静态优先级 和动态优先级,静态优先级是指进程的优先级在进程开始执行前确定,执行过程中不变;动态优先级则可以在进程执行过程中改变。
- 轮转法。每个进程执行一次,占有处理器时间都不超过规定的时间单元(时间片),若超过,则自行释放所占有CPU而拍到就绪队列末尾,等待下次调用。
死锁
死锁产生主要原因是供共享的系统资源不足,资源分配策略和进程的推进顺序不当。系统资源既可能是可重复使用的永久性资源,也可能是消耗性的临时资源。产生死锁的必要条件是:互斥条件、保持和等待条件、不剥夺条件、环路等待条件。
如,P1进程占有资源R1,P2进程占有资源R2,这时,P1需要资源R2,P2需要资源R1,它们在等待对方占有的资源时,又不会释放自己占有的资源,因而使双方都进入无限等待状态,即死锁。
解决死锁有2种策略:在死锁发生前采用的预防和避免策略;在死锁发生后采用的检测和恢复策略。
- 死锁的预防主要是通过打破死锁产生的4个必要条件之一来保证不会产生死锁。采用的死锁预防策略通常有资源的静态分配法或有序分配法,它们分别打破了资源动态分配条件和循环等待条件,因此不会发生死锁,但大大降低系统资源的利用率和进程之间的并行程度。
- 死锁避免策略,是在系统进行资源分配时,先执行一个死锁避免算法以保证本次分配不会导致死锁发生。但由于资源分配很频繁,因此死锁避免策略要消耗大量的CPU和时间。
ps:死锁发生概率较小,采用死锁发生后的检测和恢复策略 比 采用死锁发生前的预防与避免策略代价小些。