常见的嵌入式OS内存管理和进程调度方式

Posted 2023-05-16

参考技术A

任务调度 ：抢占式实时内核，即优先级最高的任务优先运行，不论什么时候，只要就绪的任务中有比当前正在执行的任务优先级更高的任务，就暂停当前的任务去执行优先级最高的任务（固定优先级抢占式）。UCOS-II中共有64个任务，分为8组，每8个为一组。

内存管理 ：μC/OS-II提供的内存管理机制是把连续的大块内存按分区来管理，每个分区中包含整数个大小相同的内存块，不同分区的大小可不相同，同一个分区的大小相同。因申请的空间大小固定，故即使是频繁地申请和释放内存也不会产生内存碎片问题，但其缺点是内存的利用率相对不高。

任务调度 ：FreeRTOS内核既支持优先级调度算法，同时支持轮换调度算法。同时，支持用户自定义可剥夺和不可剥夺。当进行任务调度时，调度算法首先进行优先级调度。系统按照优先级从高到低的顺序从就绪任务链表数组中寻找第一个最高就绪优先级，据此实现优先级调度。若此优先级下只有一个就绪任务，则此就绪任务进入运行态；若此优先级下有多个就绪任务，则需采用轮换调度算法实现多任务轮流执行。

内存管理 ：提供5种内存管理机制，分别放置于heap_*.c文件中。

内存管理 ：继承了标准linux的管理方式，但因为缺少MMU（内存管理单元）导致对内存的操作是对真实地址进行，无法做到程序隔离。

任务调度 ：uClinux在结构上继承了标准Linux的多任务实现方式（分实时进程和普通进程采用不同的调度策略、即先来的先服务调度和时间片轮转调度）

进程调度 ：支持两种进程调度，位图调度（一个任务一个优先级）、多队列调度（一个优先级可对应多个任务）

内存管理 ：ecos提供了两种内存池：一种是变长内存池(variable size memory pool)，根据申请的大小进行分配；另一种是定长内存池(fixed size memory pool)，以固定大小的块为单位进行分配。变长内存池使用链表来进行管理，定长内存池使用位图来进行管理。C库函数malloc使用变长内存池实现内存分配，用户可以直接使用C库函数malloc和free管理内存。

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目录

• 操作系统
• • 1.进程和线程
  • • 1.1进程和线程的区别
    • 1.2进程的状态转换
    • 1.3进程间的通信
    • 1.4进程的调度和处理机调度
  • 2. 内存管理
  • • 1.1内存管理的功能
    • 1.2内存分配方式
    • • 1.2.1连续分配管理方式
      • 1.2.2分配策略算法
      • 1.2.3非连续分配管理方式
      • 1.2.4 页面置换算法(追求最少的缺页率)
  • 3.文件管理
  • • 3.1文件的分配方式(物理结构)
    • 3.2文件存储空间管理
  • 4.IO管理
  • • 4.1磁盘调度算法
  • 5.死锁
  • • • 5.1 对死锁的理解
      • 5.2死锁的避免->银行家算法
      • 5.3死锁的解除

操作系统

1.进程和线程

1.1进程和线程的区别

线程具有许多传统进程所具有的特征，故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元；而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process)，它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中，通常一个进程都有若干个线程，至少包含一个线程。

• 根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位
• 资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。
• 包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
• 内存分配：同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源，而进程之间的地址空间和资源是相互独立的
• 影响关系：一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其他进程产生影响，但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。
• 执行过程：每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制，两者均可并发执行

1.2进程的状态转换

三种基本状态：

• 运行态：占用CPU，并在CPU上运行
• 就绪态：已经具备了运行条件，但由于没有空闲的CPU，而暂时不能运行
• 阻塞态：因等待某一事件而暂时不能运行

另外两种状态：

• 创建态：进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB
• 进程正在从系统中撤销，操作系统会回收进程拥有的资源，撤销PCB

1.3进程间的通信

1. 对于同步和互斥的理解：

区别：

互斥：是指三部在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。

同步：是指散步在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的 某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

联系：

同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）。

2. 进程间为什么需要通信

在操作系统中，协作的进程可能共享一些彼此都能共同读写的一些有限资源。而这些资源是有限的，或者如一些共享内存，进程随意读写可能会造成数据的顺序，内容等发生错乱，进程不能对其随意的使用，读写等。从而会发生竞争。我们把对共享内存进行访问的程序片称为临界资源或临界区，对同一共享内存，任何时候两个进程不能同时处于临界区.

进程间通信的目的：

• 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。
• 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。
• 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供互斥和同步机制。
• 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如 Debug 进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变

3. 进程间通信的方式

1.管道通信：

• 管道只能采取半双工通信，某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信，则需要设置两个管道
• 各个进程要互斥的访问管道
• 数据以字节流的形式写入管道，当管道写满时，写进程的write()系统调用将会被阻塞，等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后，管道变空，此时读进程的read()系统调用将会被阻塞

注意：匿名管道只能用于有亲缘关系间的进程，而有名管道允许无亲缘关系的进程间通信

2.消息队列MessageQueue：

消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

3.信号

信号是进程之间唯一的异步通信机制，信号的主要来源主要有硬件来源（入键盘操作ctrl + C） 和软件来源（如kill命令），信号传递的信息比较少，主要用于通知进程某个时间已经发生。比如利用kill pid，可以让系统优雅停机。

4.信号量

信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对资源的访问，通常作为一种锁机制，防止某个进程正在访问共享资源，其他进程也访问资源

5.共享内存

共享内存就是映射一段能被进程之间共享的内存，这段内存由一个进程创建，但是多个进程都可以共享访问，是最快的一种进程间通信的方式（不需要从用户态到内核态的切换），它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

6.Socket

socket套接字，不仅仅可以用于本地进程通信，还可以用于不通主机进程之间的通信。

1.4进程的调度和处理机调度

进程调度(低级调度)，就是按照某种算法，从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

1. 进程调度的时机

   • 进程主动放弃处理机：进程正常终止，发生异常终止，进程主动请求阻塞(如等待I/O)等
   • 进程被动放弃处理机：分配的时间片用完，IO中断，有更高的优先级进程进入就绪队列等

2. 调度算法

   • 先来先服务
   • 最短作业优先
   • 最高响应比优先 响应比：(等待时间+服务时间)/要求服务的时间
   • 时间片轮转调度
   • 优先级调度
   • 多级反馈队列
     • 设置多级就绪队列，各级的队列优先级从高到低，时间片从小到大
     • 新进程到达时先进入第一级队列，按照先来先服务排队等待被分配时间片，若用完时间片进程还未结束，则进程进入下一级队列的队尾，如果此时已经在最下级队列，则从新放回最后一级队列的队尾
     • 只有当第K级的队列为空时，才会为K+1级的队列队头的进程分配时间片

2. 内存管理

1.1内存管理的功能

• 内存空间的分配与回收：由操作系统完成主存储器空间的分配和管理，使程序员摆脱存储分配的麻烦，提高编程效率。
• 地址转换：在多道程序环境下， 程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致， 因此存储管理必须提供地址变换功能，把逻辑地址转换成相应的物理地址。
• 内存空间的扩充：利用虚拟存储技术或自动覆盖技术，从逻辑上扩充内存 。
• 存储保护：保证各道作业在各自的存储空间内运行，互不干扰。

1.2内存分配方式

1.2.1连续分配管理方式

连续分配方式，是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间，比如说某用户需要1GB的内存空间，它就在内存空间中分配一块连续的 1GB的空间给用户。

• **单一连续分配：**内存在此方式下分为系统区和用户区，系统区仅提供给操作系统使用，通常在低地址部分；用户区是为用户提供的、除系统区之外的内存空间。 这种方式无需进行内存保护。
• **固定分区分配：**固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式，它将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域，每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时，便可以再从外存的后备作业队列中， 选择适当大小的作业装入该分区，如此循环。
• **动态分区分配：**动态分区分配又称为可变分区分配，是一种动态划分内存的分区方法。这种分区方法不预先将内存划分，而是在进程装入内存时，根据进程的大小动态地建立分区 ，并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统中分区的大小和数目是可变的。

1.2.2分配策略算法

• 首次适应 (First Fit) 算法：空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时顺序查找，找到大小能满足要求的第一个空闲分区。
• 最佳适应 ( Best Fit )算法：空闲分区按容量递增形成分区链，找到第一个能满足要求的空闲分区。
• 最坏适应 ( Worst Fit )算法：又称最大适应 （ Largest Fit )算法，空闲分区以容量递减的次序链接。找到第一个能满足要求的空闲分区，也就是挑选出最大的分区。
• 邻近适应 ( Next Fit )算法：又称循环首次适应算法，由首次适应算法演变而成。不同之处是分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。

1.2.3非连续分配管理方式

非连续分配允许一个程序分散地装入到不相邻的内存分区中

1. 分页存储管理方式

   • 将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如：每个分区4KB)，每个分区就是一个页框(页帧，内存块，物理块)，每个页框都有一个编号，即页框号(页帧号，内存块号，物理块号)，页框号从0开始
   • 将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域，称为 "页"或 “页面”，每个页面也有一个编号，即页号，页号也是从0开始(**注意：**进程最后一个页面可能没有页框那么大，因此页框不能太大，否则会产生过大的内部碎片)
   • 操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中，则进程的页面和内存的页框产生了一一对应的关系

2. 分段存储管理方式

   • 进程的地址空间：按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段，每个段都有一个段名(在低级语言中，程序员使用段名来编程)，每段从0开始编址
   • 内存分配规则：以段位单位进行分配，每个段在内存中占据连续空间，但是各个段之间可以不相邻
   • 优点：由于是按逻辑功能划分，用户编程更加方便，程序的可读性更高
     

3. 分页和分段存储管理的区别

   • 页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，提高内存利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要而并不是用户的需要。而段则是信息的逻辑单位，是为了更好地满足用户的需要。
   • 分段比分页更容易实现信息的保护与共享，分段可以在某个段编写逻辑，实现对另外一个段的保护，而分页不行
   • 页的大小固定且由系统决定，而段的长度取决于用户所编写的程序。

1.2.4 页面置换算法(追求最少的缺页率)

1. 最佳置换算法OPT(无法实现，作为一个标准):每次选择淘汰的页面将是以后永不使用，或者在最长的时间内不被使用，由于无法预知将会访问哪些页面，所以这种算法无法实现，只能作为一个标准

例如：需要访问7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1，则访问顺序：

2. 先进先出置换算法FIFO:每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面

例如：需要访问 3 2 1 0 3 2 4 3 2 1 0 4 ，则访问顺序

3. 最近最久未使用置换算法(LRU)：每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

例如：需要访问 1 8 1 7 8 2 7 2 1 8 3 8 2 1 3 1 7 1 3 7 则访问顺序

4. 最近未用置换算法NRU(Clock算法):为每个页面设置一个访问位，再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时，其访问位置为1.当需要淘汰某个页面时，只需要检查页的访问位。如果是0，就将该页面换出，如果是1，则将他置为0，暂不换出。继续检查下一个页面，如果第一轮扫描之后全是1，则扫描完成，这些都置为0.再进行第二轮扫描，因此简单的Clock算法选择一个页面淘汰最多两轮

3.文件管理

3.1文件的分配方式(物理结构)

1. 文件块和磁盘块 ： 类似于内存的分页

   • 磁盘块:磁盘中的存储单元会被分为一个个"块/磁盘块/物理块"，在很多的操作系统中，磁盘块的大小与内存块，页面的大小相同
     

   • 文件块：在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间被分为一个一个的文件块，文件的逻辑地址可以表示为(逻辑块号，块内地址)的形式。用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统负责实现从逻辑地址到物理地址的映射。
     

2. 文件的分配方式

   1.连续分配：要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块

   • 优点：支持顺序访问和直接访问(类似数组)，连续分配的文件在顺序访问时速度最快
   • 缺点：不方便文件的扩展，存储空间利用率低,会产生磁盘碎片
     

   2. 链接分配：采取离散分配的方式，为文件分配离散的磁盘块。(类似链表数据结构)

      • 隐式链接：目录中记录的文件的起始块号和结束块号。除了文件最后一个磁盘块之外，每个磁盘块中都会保存指向下一个盘块的指针，这些指针对用户是透明的,每次访问某个磁盘块都需从头访问
        • 优点：方便文件的扩展，不会产生碎片问题，外存的利用率高
        • 缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找时效率低

  * 显示链接：把用于链接文件各物理块的指针显示的存放在一张表中，即文件分配表。文件目录只需要记录起始块号。一个磁盘只需要设置一张分配表，开机时，将分配表读入内存，并常驻内存

    * 优点：支持顺序访问，也支持随机访问，方便文件的扩展，不会产生碎片问题，地址转换不需要访问磁盘，因此文件的访问效率更高
    * 缺点：文件分配表需要占据一定的存储空间

3. 索引分配：索引分配允许文件离散的分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块(索引表的功能类似于内存管理的页表–建立逻辑页面到物理页面之间的映射关系)。索引表存放的磁盘块称为索引块，文件数据存放的磁盘块称为数据块

3.2文件存储空间管理

1. 存储空间的划分和初始化

   • 存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷(逻辑卷，逻辑盘，如Windows系统下的C，D，E盘等)

     有的系统支持超大型文件，可由多个物理磁盘组成一个文件卷

   • 存储空间的初始化：将各个文件卷划分为目录区，文件区

     • 目录区：目录区主要存放文件的目录信息(FCB)，用于磁盘存储空间的管理的信息
     • 文件区：文件区用于存放文件数据

2. 存储空间的管理方法

   1. 空闲表法：与内存管理中的动态分区分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可以采用首次适应，最佳适应，最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间

2. 空闲链表法：分为—>

   • 空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链
   • 空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链

3. 位示图法：每个二进制位代表一个盘块。例如可以用"0"来代表盘块空闲 ，"1"代表盘块已经分配

4. 成组链接法：UNIX采用的策略，适合大型的文件系统。

4.IO管理

4.1磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间：寻找时间+延迟时间+传输时间

• 寻找时间：在读/写前，将磁头移动到指定磁道所画的时间(启动磁头臂和移动磁头臂)
• 延迟时间：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间
• 传输时间：从磁盘中读出或写入数据所经历的时间

磁盘调度算法：

1. 先来先服务算法(FIFO)：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
2. 最短寻找时间优先算法(SSTF)：优先处理的磁道是与当前磁道最近的磁道，可以保证每次的寻道时间最短，但是不能保证总的寻道时间最短(贪心算法)
3. 扫描算法(SCAN，电梯调度算法)：SSTF算法可能会产生饥饿，磁头有可能在一个小区域内来回移动，因此扫描算法规定，只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道才能往外移动，在这个基础上使用SSTF算法
4. 循环扫描算法(C-SCAN)：SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，C-SCAN算法在SCAN算法的基础上规定：只有磁头朝着某个特定的方向移动时才能处理磁道的访问请求，而返回时直接快速移动到起始端而不处理任何请求

5.死锁

5.1 对死锁的理解

如果一组进程中的每个进程都在等待一个事件，而这个事件是有这组中的某一个进程触发，这种情况则会导致死锁

**资源死锁的条件：**发生死锁时，以下四个条件必须全部具备

• 互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排它性控制，即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。
• 保持和等待条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
• 不可抢占条件：进程已获得的资源在未使用完之前，不能剥夺，只能在使用完时由自己释放。
• 循环等待条件：在发生死锁时，必然存在一个进程–资源的环形链。

5.2死锁的避免->银行家算法

当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法通过先 试探 分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待。

安全序列的判断：

5.3死锁的解除

• 资源剥夺法：挂起(暂时放到外存上)某些死锁的进程，并抢占他的资源，将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿
• 撤销进程法：强制撤销部分，甚至全部的死锁进程，并剥夺这些进程的资源。虽然实现简单，但是代价可能较大
• 进程回退法：让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步

简单来说，死锁的破坏就是对死锁产生的四个条件进行破坏，让其中任意一个不满足即可。