操作系统之基本概念一

Posted 2020-11-10 博1990

一、进程、线程管理

1 基本概念

• 进程是资源分配的基本单位，是正在执行程序的实例，是动态的，而程序是静态的，同一个程序跑两次则是两个进程；
• 线程是CPU独立调度的基本单位，共享整个地址空间、全局变量、打开的文件描述符；私有数据：堆栈、寄存器、程序计数器；
• 并行：同一时刻有多个进程在运行，比如多核处理器；
• 并发：同一时间段有多个进程在运行，但是同一时刻只有1个进程在运行；

2 经典IPC问题：

• 生产者-消费者
• 哲学家就餐
• 读者-写者问题；

3 进程间通信IPC

• pipe/fifo
• 消息队列/共享内存/信号量
• socket；

4 线程同步

• 互斥量
• 信号量
• 条件变量/事件
• 临界区（Windows）；

5 进程状态： 阻塞、就绪、运行

• 就绪->运行：CPU调度了该进程；
• 运行->就绪：时间片用完
• 运行->阻塞：等待某种事件，比如I/O；
• 阻塞->就绪：等待的事件发生了，比如I/O；

6 进程调度策略：
（1）批处理系统：

• FCFS先来先服务
• SJF短作业优先（长作业饥饿）
• SRTN最短剩余时间优先；

（2）交互式系统：

• 时间片轮转
• 优先级（低优先级饥饿）
• 多级反馈队列（优先级高+时间片少）

7 死锁：在2个或以上的进程中，如果每个进程都持有资源且在等待其他进程持有的资源，导致所有进程都无限制的阻塞、相互等待；
（1）条件：

• 互斥
• 占有且等待
• 不可抢占
• 环路等待

（2）死锁处理策略：鸵鸟策略，即什么都不管，忽略掉；

（3）死锁检测与死锁恢复：

• 每种类型一个资源：检测有向图是否存在环，从一个节点开始DFS深度优先搜索，对访问过的点进行标记，如果访问了已经标记的点则存在环，即死锁发生了。
• 每种类型多个资源：
• 死锁恢复： 抢占、回滚、杀死进程；

（4）死锁预防：

• 破坏互斥条件
• 破坏占有和等待条件：一次性申请所有资源；
• 破坏不可抢占条件：
• 破坏环路等待： 给所有资源统一编号，进程必须按编号顺序来申请资源；

（5）死锁避免

• 安全状态：存在某种调度顺序让每一个进程都运行完毕；
• 单个资源的银行家算法
• 多个资源的银行家算法

（6）通信死锁：进程A发送请求给B并且阻塞等待B回复，如果信息丢失则发生通信死锁，A阻塞以等待B回复，B阻塞等待A发送请求； 通过超时机制解决；

（7）活锁： 类似于死锁，即由于忙等待所以没有进程阻塞，但是只消耗CPU没有进展；

（8）饥饿： 进程调度由于优先级低被无限制推后，但是没有阻塞；

二、内存管理

1 空闲内存管理：

• 位图：位图查找连续0串，由于跨越字节边界所以耗时；
• 双向链表

2 内存分配

• 首次适配
• 下次适配
• 最佳适配
• 最差适配
• 快速适配

3 虚拟内存：在逻辑上来扩展相对有限的物理内存， 虚拟内存<=物理内存+外存容量，并且取决于计算机地址位数；

4 页面置换算法（和缓存机制类似）： 淘汰页面的时候根据modify（M位）来判断是否需要写入磁盘

• 最近未使用NRU：根据reference（R位）来判断，由时钟中断清零，一般设置为20ms；
• 最久未使用LRU：链表，最短在表头，最久在表尾，每次访问内存都必须更新整个链表，开销大；
• 先进先出FIFO：链表，淘汰表头+加到表尾；

5 分段和分页：
（1）分页： 一维数组，页大小固定不易存在碎片，但是和程序的逻辑大小不相关

• 地址结构---页号P+页内偏移量W， 页表---页号+页框号+有效位/保护位/访问位/修改位
• 页表查询： 物理地址就是根据页号P找到的页框号+页内偏移量； 如果16位逻辑地址是A，页面大小为L，那么页号P=A/L，页内偏移量=A%L；

（2）分段： 按逻辑单位分成独立的段，如程序段、数据段，容易保护和共享；但是内存使用率低；

• 地址结构---段号S+段内偏移量D， 段表---段号+段起始地址+段长度+有效位？
• 段表查询： 根据段号找到的段起始地址+段内偏移量； （段内偏移量 < 段长度） 需要加法而不是直接拼接；

（3）段页式： 三次访问内存，开销大

• 地址结构---段号+页号+页内偏移量， 段表---段号+页表起始地址+页表大小+有效位， 页表---页号+页框号+有效位
• 段页表查询： 根据段号找到的页表起始地址，再根据页号找到的该页表的页框号+页内偏移量；

三、文件管理

1 文件存储空间管理

2 目录管理

3 文件读写管理和保护

四、设备管理

1.缓冲管理

填充缓冲区的时候超出了缓冲区的范围，溢出的数据覆盖了合法数据上；可能导致程序崩溃；

2.设备分配、处理

3.虚拟设备

4 中断分类：

（1）外中断：CPU指令以外的事件引起，比如IO

（2）异常：CPU指令的内部事件引起，比如空指针引用、数据越界、除0操作

（3）陷入： 系统调用