操作系统学习笔记随笔

Posted 2022-12-11 Hot Autumn

进程的三个基本状态：就绪、执行、阻塞。

 

同步机制遵循的规则：

1)      空闲让进；如果没人用，我现在要用，应该让我用

2)      忙则等待；如果有人在用，我应该等待

3)      有限等待；我不能一直等待

4)      让权等待。我等待的时候，应该释放 CPU

进程和线程

1.      程序和进程的区别就在于：程序是指令的集合，它是进程运行的静态描述文本；进程是程序的一次执行过程，属于动态概念。

2.      为什么还要线程呢？其实，仔细观察就会发现进程还是有很多缺陷的，主要体现在两点上：

A.     进程只能在一个时间干一件事，如果想同时干两件事或多件事，进程就无能为力了。

B.      进程在执行的过程中如果阻塞，例如等待输入，整个进程就会挂起，即使进程中有些工作不依赖于输入的数据，也将无法执行。

例如：我现在和面试官面试，看成一个进程，因为很想进入这个公司，我要用耳朵听面试官讲话、手上要记笔记、脑子还要思考问题，回答问题等。如果只提供进程机制的话，这些事就不能同时进行，同一个时间只能做一件事情，这是其一；此外，如果面试官让我介绍进程和线程，我由于紧张卡壳了，阻塞住了，此时，面试官也不能中断我，问其他问题，这就是另一种情况。

3.      线程的优点

提高进程的并发度，线程还有个好处，就是可以有效地利用多处理器和多核计算机。现在的处理器有个趋势就是朝着多核方向发展，在没有线程之前，多核并不能让一个进程的执行速度提高，原因还是上面所有的两点限制。但如果讲一个进程分解为若干个线程，则可以让不同的线程运行在不同的核上，从而提高了进程的执行速度。

例如：我们经常使用微软的 Word 进行文字排版，实际上就打开了多个线程。这些线程一个负责显示，一个接受键盘的输入，一个进行存盘等等。这些线程一起运行，让我们感觉到我们输入和屏幕显示同时发生，而不是输入一些字符，过一段时间才能看到显示出来。在我们不经意间，还进行了自动存盘操作。这就是线程给我们带来的方便之处。

4.      进程与线程的区别

A.       进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。（系统进行资源分配的时候是以进程为单位的）

B.       线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源(如程序计数器，一组寄存器和栈)，但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。

C.       一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

进程和线程的主要差别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个线程死掉就等于整个进程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。但对于一些要求同时进行并且又要共享某些变量的并发操作，只能用线程，不能用进程。

 

进程的虚拟内存大小并不受物理内存大小的限制，例32位处理器虚拟内存空间可能是 4G，但物理内存实际是小于 4G 的，部分地址空间分配给了 ROM、外设等。

1). 虚存的大小  ≤ 内存容量和外存容量之和。

2). 虚存的大小 ≤ 计算机的地址位数能容纳的最大容量。

 

用户进程间通信主要哪几种方式？

（1）管道（Pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，允许一个进程和另一个与它有共同祖先的进程之间进行通信。

（2）命名管道（named pipe）：命名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信。命名管道在文件系统中有对应的文件名，文件的内容在内存中。命名管道通过命令mkfifo或系统调用mkfifo来创建。

（3）信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux 除了支持 Unix 早期信号语义函数 sigal 外，还支持语义符合 Posix.1 标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于 BSD 的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用 sigaction 函数重新实现了 signal 函数）。

（4）消息（Message）队列：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺

（5）共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

（6）信号量（semaphore）：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。也称记录锁定。

（7）套接字（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。

 

进程调度

非抢占方式：先来先服务。

抢占方式：A. 优先权原则；B. 短作业（进程）优先原则；C.时间片原则。

 

多级反馈队列调度算法：

1)     每个新进程都从第一个队列进去；

2)     每个队列都是FCFS（先来先服务）原则；

3)     队列从上到下优先级逐个降低；

4)     每个队列进程也按照时间片执行，优先级越低的队列，进程执行的时间片越长；

5)     只有前面的队列空闲的时候才会调度后面的队列。

 

死锁：

产生死锁的原因：A.竞争资源；B.进程间推进顺序非法。

产生死锁的必要条件：A.互斥条件；B.请求和保持条件；C.不剥夺条件；D.环路等待条件。

预防死锁：A.摒弃“请求和保持”条件；B.摒弃“不剥夺”条件；C.摒弃“环路等待”条件。

                     只要破坏死锁产生的四个条件中的一个，死锁就不会出现。（互斥条件无法破坏）

避免死锁：银行家算法。Dijkstra提出来的。该算法需要计算申请者对资源的最大需求，如果系统现存的各类资源可以满足申请者的请求，就满足申请者的请求。这样申请者就能很快的完成计算，然后释放它占用的资源，从而保证系统中所有进程都能完成，从而避免死锁的发生。

 

内存管理

1.      连续分配

1)     单一连续分配（适用于单用户单任务的操作系统）

2)     固定分区分配（最简单的一种可运行多道程序的存储管理方式）

将内存用户空间划分为若干固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。划分分区方法两种：分区大小相等、分区大小不等。

3)     动态分区分配

常用的数据结构有两种：

A.    空闲分区表：记录每个空闲分区（分区号、分区始址、分区大小）

B.     空闲分区链：将所有空闲分区连接成一个双向链

分区分配算法：

A.    首次适应算法（FF）：分配时，从链首开始查找，直至找到一个大小能满足要求的空闲分区为止，然后按照作业的大小从该分区划出一块内存空间分配给请求者，余下的空闲区仍留在空闲链中。

B.     循环首次适应算法：由FF演变而来，但是不是每次都从链首开始，而是从上次找到的空闲分区的下一个空闲分区开 始。

C.     最佳适应算法：将所有的空闲分区按照容量大小的排序的顺序形成一个空闲分区链，每次从链首开始查找直至找到一个满足大小的。

D.    最坏适应算法：不用排序，每次找一个最大空闲，按照作业的大小分割出来。

E.     快速适应算法（分类搜索法）：将空闲分区按照容量大小分类，对每一类具有相同大小的所有空闲分区，单独设立一个空闲分区链表。分配时，找到适合的大小后，不会分割。

回收内存时：相邻的合并，不相邻的链接。

4)     伙伴系统：无论是已分配或是空闲分区，其大小均为2的k次幂。

5)     动态重定位分区分配：与动态分区算法基本一样，只是加入了紧凑的功能，即在找不到足够大的空闲分区满足用户作业大小时，进行紧凑，紧凑后，很多程序变了位置，所以加入了地址变换机构。

2.      基本分页存储管理方式

把内存空间分成若干大小的页，进程的逻辑地址空间也是分成若干个页。每个进程对应一个页表，存放在其 PCB 中。每个页表项存储的是页号和块号，记录了相应页在内存中对应的物理块号。

3.      基本分段存储管理方式

作业的地址被划分为若干段（例如，主程序段 MAIN，子程序段 X，数据段 D 及栈段 S 等），各段的长度可能不等。每个进程有一个段表，每个段表项存储的是段长和基址（记录该段在内存中起始地址）。

4.      段页式存储管理方式

先将用户程序分段、再把每个段分成若干页，并为每个段赋予一个段名。

地址的结构：段号 段内页号 页内地址

 

快表：用来存放当前访问最频繁的少数活动页面的页号

 

页面置换算法：

1  最佳置换算法（一种理论上的方法，具有最好性能）：总是选择淘汰那些以后最长时间不用的。

2  先进先出（FIFO）页面置换算法

3  最近最久未使用（LRU）置换算法

4  Clock置换算法

LRU 算法需要较多硬件支持，Clock 算法是一种 LRU 近似算法。

Clock 算法为每页设置一位访问位，当某个页面被访问，其访问位置 1。当要选择页面淘汰时，检查访问位，若为 0 则置换，若为1，则将其置为 0，暂不置换，安装 FIFO 算法检查下一位，如果到最后还没找到，回到第一个继续。

改进的clock算法

        相比 clock 算法，除了考虑页面的使用情况，还考虑置换代价。由访问位 A和修改位 M 组成：

a.      (A=0,M=0)：该页最近未被访问且未被修改，最佳淘汰页；

b.      (A=0;M=1)：该页最近未被访问，但已被修改，不是很好的淘汰页；

c.      (A=1,M=0)：该页最近被访问，但未被修改，可能再次被访问；

d.      (A=1,M=1)：该页最近被访问且被修改，可能再次被访问。

 

高速缓冲存储器（Cache）：位于 CPU 和内存之间的临时存储器，容量比内存小但交换速度快。在 Cache 中的数据是内存中的一小部分，但是这一小部分是短时间内 CPU 即将访问的。