操作系统知识点总结

Posted 2022-04-08 阿呆狐狸

第二章：进程管理

1、什么是进程：

1. 进程的基本概念
2. 进程的结构和特征
3. 进程与线程

2、进程是怎样运行的：

• 进程控制

• 即os对进程实现有效的管理，包括创建、撤销、挂起、阻塞、唤醒、进程切换，os通过原语操作实现进程控制
• 原语：

• 原语由若干条指令组成，完成特定的功能，是一种原子操作

• 原语的特点：

• 原子操作，要么全做，要么全不做，操作过程不会被中断
• 在管态/内核态/系统态下执行，常驻内存
• 是内核三大支撑功能之一（中断处理、时钟处理、原语操作）
• 整个操作系统所有的操作都是基于中断的
• 每一个原语都是一小段程序

• 专门用于控制进程的四种原语（原语有很多种，但是控制进程的有四种）

• 创建原语 create
• 阻塞原语 block
• 唤醒原语 wakeup
• 撤销原语 destroy
• 挂起原语 suspend
• 激活原语 active

• 阻塞：当前进程调用阻塞原语（注意：阻塞是一种主动行为）
• 阻塞状态没有人去唤醒就是死锁
• 阻塞和唤醒是成对出现的，有阻塞就有唤醒，不然就成了死锁

• 处理机调度：

• 根据一定的算法和原则，将处理机资源进行重新分配的过程

• 前提：进程数或者作业数远远大于处理机数
• 目的：提高资源利用率，减少处理机空余时间
• 调度程序：一方面要满足系统用户需求（快速响应），另一方面要考虑系统整体效果（系统平均周转时间）和调度算法本身的开销

• 处理机调度的层次：

• 高级调度/作业调度

• 把后备作业调进内存（在内存中运行的是进程，没有运行的叫做作业）
• 调入一次、调出一次
• 调度频率最低

• 中级调度/内存调度：

• 将进程调致外存（挂起操作），条件合适在调回内存（激活操作）
• 在内外存对换区进行内存对换（对换区是指在外存划出一片空间供内存使用，也叫做虚拟内存）

• 低级调度/进程调度

• 从就绪队列选取进程分配给处理机
• 最基本的调度，频率非常高（相当于一个cpu时间片）

• 处理机调度方式：

• 抢占式（剥夺式）调度：

• 立即暂停当前进程
• 将CPU分配给另外一个进程
• 原则：优先权/短进程优先/时间片原则

• 非抢占式（非剥夺式）调度：

• 若有进程请求执行
• 等待当前进程完成或者阻塞
• 适用于批处理，不适用于分时、实时系统。

• 处理机调度时机：

• 进程运行完毕
• CPU时间片用完
• 执行io操作
• 执行某种原语操作
• 高优先级进程申请运行（剥夺式调度）

• 处理机调度过程：

• 保存镜像：记录进程现场信息
• 调度算法：确认处理机分配原则
• 进程切换：分配处理机给其他进程
• 处理机回收：从进程回收处理机

• 进程调度：

• 调度算法指标：

• cpu利用率 = cpu使用时间/系统总时间
• 系统吞吐量 = CPU完成作业数/总时间（单位时间内完成作业的数量），如果长作业执行得多短作业执行得少，吞吐量就不高；如果长作业执行得少，短作业执行得多，则吞吐量高
• 周转时间 = 作业完成时间 - 作业提交时间
• 带权周转时间 = 周转时间/实际运行时间
• 等待时间：作业等待处理机调度的时间
• 响应时间：首次提交请求到响应的时间间隔

• 调度算法：

• 作业调度：

• 先来先服务：（FCFS）
• 短作业优先 :（SJF）
• 高响应比优先调度（HRRN）
• 优先级调度：（PSA）

• 时间片轮转调度：（RR）
• 多级反馈调度：（MFQ）

• 进程是怎样运行的

• 进程调度：（先来先服务）

• 算法内容：调度作业/就绪队列中最先入队者，等待操作完成或者阻塞
• 算法原则：按照作业或者进程到达顺序服务（执行）
• 调度方式：非抢占式调度
• 适用场景：作业/进程调度
• 优缺点：

• 有利于cpu繁忙型作业。充分利用cpu资源
• 不利于i/o繁忙型作业，使它饥饿

• 进程调度（短作业优先）

• 算法内容：所需要服务时间最短的作业或者进程优先服务（调度之前先估算不同的作业运行的时间）
• 算法原则：追求最少的平均带权周转时间（带权周转时间 = 周转时间/实际运行时间）
• 调度方式：非抢占式
• 特例：最短剩余时间优先：（SRTN抢占式）：有的时候很短进程都完成了一半多，看看谁的剩余时间最少谁就优先执行
• 适用场景：作业/进程调度
• 优缺点：

• 平均等待/周转时间最少
• 长作业周转时间会增加或者饥饿
• 估算时间不准确，不能保证紧迫任务及时执行

• 进程调度：（高相应比优先调度 HRRN）

• 算法内容：结合FCFS和 SJF ，综合考虑等待时间和服务时间计算相应比，高的优先服务
• 算法原则：综合考虑作业/进程的等待时间和服务时间
• 调度方式：非抢占式
• 适用场景：作业/进程
• 相应比计算：

• 相应比 = （等待时间+服务时间）/服务时间 >1
• 只有当前进程放弃执行权(完成/阻塞)时,重新计算相应比(计算相应比也是需要时间成本的)
• 长作业等待越久,相应比越高,越容易获得执行权
• 但是不能解决紧迫任务的情况

• 进程调度:优先级调度

• 算法内容:又叫优先权调度,按照作业/进程的优先级调度(紧迫程度)
• 算法原则:优先级越高的作业/进程先调度
• 调度原则:抢占/非抢占式(并不能获得及时执行)
• 适用场景:作业/进程调度
• 优先级设置原则:

• 静态/动态优先级(静态优先级是在程序员编写程序时给的优先级,进程创建时给的优先级,动态优先级是进程运行过程中动态的调整优先级)
• 系统进程优先级>用户进程优先级
• 交互型优先级>非交互型优先级 (交互型操作用户在等待结果,所以优先级要高 )
• I/O型优先级>计算型优先级
• 低优先级进程可能产生饥饿

• 进程调度:时间片轮流调度

• 算法内容:按照进程到达就绪序列的顺序，轮流分配时间片去执行，时间用完则剥夺cpu执行权，如果时间片执行完程序还没执行完，则将程序放到就绪队列队尾继续排队等待执行，又时钟中断信号提醒cpu时间到了
• 算法原则：公平、轮流为每个进程服务，进程在一定时间都会得到响应
• 调度方式：抢占式：由时钟中断确定时间到达
• 使用场景：进程
• 优缺点：

• 公平、响应快、适用于分时系统
• ​时间片决定因素：系统响应时间、就绪队列进程数量、系统处理能力（可能会考到）​
• 时间片太大：相当于FCFS（先来先服务）,太小，处理机切换频繁，系统开销大

• ​注意：不同的进程得到的时间片不一样

• ​进程调度：多级反馈调度算法（MFQ）

• 算法内容：

• 设置多个按照优先级排序的就绪队列
• 优先级从高到低，时间片从小到大
• 新进程采用队列降级法

• 进入第一级队列，按照FCFS分时间片
• 没有执行完，移到下一级等待执行

• 前面队列不为空，则不执行后续队列进程

• 算法原则：集前几种算法优点，相当于 PSA+RR(优先级算法+时间片调度算法)
• 调度方法：抢占式
• 适用场景：进程调度
• 优缺点：

• 对各种类型相对公平；快速响应
• 终端型作业用户，短作业优先
• 批处理作业用户：周转时间短
• 长批处理作业用户：在前几个队列部分执行，不会产生长期饥饿的情况，有可能导致一定程度的饥饿，但是不会一直饥饿

3、进程之间是怎样协作的：

• 进程协作的方式：

• 进程通信
• 进程同步

• 进程通信：

• 进程通信的概念：进程之间的信息交换

• 进程是资源分配的独立单位，各进程内存空间彼此独立
• 一个进程不能随意访问其他进程的地址空间

• 进程通信的特点：

• 共享存储
• 消息传递
• 管道通信

• 共享存储：有一个存储空间是多个进程可以同时访问的：（注意：这里的存储空间并不属于哪个进程，而是属于操作系统，如果进程与进程之间想要通信，就向操作系统申请一块内存空间，这个空间多个进程都可以操作它）

• 基于共享数据结构的通信方式：

• 多个进程共用某个数据结构（os提供并控制）
• 由用户（程序员负责同步处理）
• 低级通信：可以传递少量数据，效率低

• 基于共享存储区的通信方式：

• 多个进程共用内存中的存储区域（这里的内存由操作系统提供的、固定大小的区域）
• 由进程控制数据的形式和操作方式
• 实际操作过程中进程会将那块共享的内存空间并到自己的进程内部，别的进程也会将那块空间看做自己的地址空间，最终。如果所有的进程都完成后，会将那块内存空间释放掉，还给操作系统
• 数据收发双方不可见，存在安全隐患
• 高级通信，可以传递大量数据，效率高

• 注意：无论是哪种通信方式都是由操作系统去分配和管理的

• 消息传递：

• 直接通信：点到点发送

• 发送和接收时指明双方进程ID
• 每个进程指明一个消息缓冲队列
• 真正操作收发消息动作的是操作系统，用发送和接收的两个原语

• 间接通信：广播信箱

• 以信箱位媒介，作为中间实体
• 发进程将消息发送到邮箱，收进程从邮箱读取
• 可以广播，容易建立双向通信链