操作系统-第一章操作系统和第二章进程（知识点学习/期末复习/笔试/面试/考研）

1.1  操作系统的目标和作用

操作系统的目标：

（1）方便性：使计算机更容易使用

（2）有效性：控制管理计算机软硬件资源，提高利用率

（3）可扩充性：便于扩充新功能

（4）开放性：遵循标准，彼此兼容

多道批系统

例子：

现有三道作业，第一道作业需要输入10s，运行20s，输出20s；第二道作业需要输入20s，运行20s，输出30s，然后再运行30s，输出10s；第三道作业需要输入20s，运行30s，输出30s

 - 表示10s

- -- --

  -- -- --- --- -

     -- --- ---

共需要：(10+20+20)+30+(30+10)=120s

CPU利用率：[(20+20+30+30)/120]*100%=83.4%

输入设备利用率：[(10+20+20)/120]*100%=41.6%

输出设备利用率：[(20+30+10+30)/120]*100%=75%

三个利用率之和为200%

利用率要先算出所用的总时间

1.2  操作系统的发展过程

多道批处理系统优缺点

• 资源利用率高，包括CPU、内存、I/O设备。
• 系统吞吐量大。
• 平均周转时间长。
• 无交互能力。

特征：多道性，无序性，调度性

需要解决的问题： 处理机管理问题。 内存管理问题。 I/O设备管理问题。 文件管理问题。 作业管理问题。

处理机、内存、I/O设备、文件、作业

操作系统的定义：一组控制与管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度，以及方便用户使用的程序的集合

1.3  操作系统的基本特性

并发(Concurrence)

• 并行与并发
• 进程、线程

共享(Sharing)

• 互斥共享、同时访问

虚拟(Virtual)

• 把一个物理实体变为若干个逻辑上的对应物
• 时分技术：虚拟处理机、虚拟设备
• 空分技术：虚拟信道、虚拟存储

异步性(Asynchronism)

• 以人们不可预知的速度向前推进，但只要运行环境相同，多次运行都会获得完全相同的结果

1.4  操作系统的主要功能

处理机管理

• 进程控制、进程同步、进程通信、CPU调度

存储器管理

• 内存分配、内存保护
• 地址映射、内存扩充

设备管理

• 缓冲管理、设备分配、设备处理、虚拟设备

文件管理

• 存储空间管理、目录管理
• 文件的读/写管理和保护

用户接口

• 命令接口、程序接口、图形接口

2.1 进程的基本概念

前趋图

前趋图(Precedence Graph)是一个有向无循环图，记为DAG(Directed Acyclic Graph)

描述进程之间执行的前后关系。

图中的每个结点于描述一个程序段、进程、语句

结点间的有向边“→”表示之间的偏序或前趋关系

• Pi→Pj，称Pi是Pj的直接前趋，而称Pj是Pi的直接后继。
• 在前趋图中，把没有前趋的结点称为初始结点(Initial Node)，把没有后继的结点称为终止结点(Final Node)。
• 每个结点还具有一个重量(Weight)，用于表示该结点所含有的程序量或结点的执行时间。

程序并发执行时的特征

• 间断性
• 失去封闭性
• 不可再现性

例子：两个循环程序A和B，共享一个变量N。     

程序A每执行一次时，都要做N+1操作；     

程序B每执行一次时， 都要执行Print(N)操作，然后再将N置成“0”。     

程序A和B以不同的速度运行。

三个语句并发执行：N=N+1; Print(N); N=0 。引发多种结果

进程的定义

进程是程序的一次执行。

进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动

进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程的三种基本状态

就绪状态：已获得CPU以外所有资源，处于就绪队列

执行状态：获得CPU，处于执行过程

阻塞状态：发生某种事件暂时无法进行，放弃CPU处于暂停状态，如请求I/O，请求缓冲空间，处于阻塞队列

活动状态和静止状态的转换

活动→静止，原语suspend（挂起）

静止→活动，原语active（激活）

活动就绪→静止就绪，Readya →Readys（挂起）

活动阻塞→静止阻塞，Blockeda→ Blockeds（挂起）

静止就绪→活动就绪，Readys →Readya（激活）

静止阻塞→活动阻塞，Blockeds →Blockeda（激活）

PCB的作用

（1）进程存在的唯一标志

（2）记录进程的外部特征

（3）描述进程变化的过程

（4）记录进程和其他进程的联系

（5）OS通过PCB控制和管理进程

• OS调度进程进入执行态
• 进程间的通信
• 进程的挂起

进程控制块的组织方式

链接方式

索引方式

2.2 进程控制

父进程：由系统或用户首先创建的进程

子进程：父进程创建的进程

父子进程关系：

• 进程控制：子进程由父进程创建或撤销，子进程不能控制父进程
• 资源继承：子进程可以全部或部分共享父进程的资源
• 运行方式：可同时进行，可以控制先后
• PCB：在PCB中设置家族关系表项，标明自己的父进程和子进程

　　#include <unistd.h> #include <stdio.h> int main(int argc, char ** argv ) { int pid = fork(); if(pid == -1 ) { print("error!"); } else if( pid = =0 ) { print("This is the child process!"); getchar();} else { print("This is the parent process! child process id = %d", pid); getchar();} return 0; } 

pid = fork();
如果 pid == -1，则创建子进程失败；
如果 pid == 0，则当前是子进程；
如果 pid > 0，则当前是父进程，pid 是子进程的进程ID。

进程阻塞过程

正执行过程中，当发现引发阻塞的事件，无法继续执行，进程调用阻塞原语block把自己阻塞。

阻塞是进程自身的一种主动行为

• 停止当前执行
• 修改状态，由执行改为阻塞
• 将PCB插入阻塞队列，若有因不同事件而划分的多个阻塞队列，阻塞进程插入相应队列
• 重新调度，将处理机分配给另一就绪进程
• CPU环境进行切换，保存被阻塞进程的CPU状态到PCB中，按新进程PCB的CPU状态设置CPU新环境

进程唤醒过程

被阻塞的事件已满足，如I/O完成或所需数据已到达，则由有关进程(比如，用完并释放了该I/O设备的进程)调用唤醒原语wakeup，将等待事件的进程唤醒

唤醒原语执行的过程

• 首先把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出
• 将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪
• 再将该PCB插入到就绪队列中

进程的挂起与激活

进程的挂起

出现引发挂起的事件（挂起的原因），系统将用原语suspend将指定进程挂起

挂起原语的执行过程

• 首先检查被挂起进程的状态，活动就绪改为静止就绪；活动阻塞改为静止阻塞
• 将PCB复制到指定的内存区域
• 数据复制到外存，释放内存
• 若被挂起的进程正在执行，则重新调度

进程的激活过程

当发生激活进程的事件，如父进程或用户进程请求激活，或当前内存有足够的空间，系统利用激活原语active将进程激活。

激活原语执行的过程

• 先将进程从外存调入内存
• 检查该进程的现行状态，静止就绪改为活动就绪；静止阻塞改为活动阻塞。
• 若是进入就绪队列，则重新调度，抢占式和非抢占式调度

2.3 进程同步

进程同步的基本概念

进程同步的任务：是使并发进行的诸进程之间能有效地共享资源和相互合作，从而使程序的执行具有可再现性.

两种形式的制约关系

• 间接相互制约关系：申请I/O、CPU
• 直接相互制约关系：输入/输出、运算的前后顺序

（1）间接相互制约关系

进程之间通过“共享资源”而发生的等待关系，彼此并不直接通信或依赖结果。

什么叫“间接”？

因为不是两个进程“互相等待对方”，而是他们都在争夺一个资源。比如：

• 进程 A 想用打印机

• 打印机正被进程 B 占用

• 所以 A 等待 B 释放

间接，是因为它们之间的关系通过“资源”建立起来的，不是你等我、我等你

（2）直接相互制约关系

进程之间直接依赖对方的数据或操作结果，需要通过“同步机制”来协调。

为什么叫“直接”？

因为你必须等我干完，你才能动手，比如：

• 进程 A 从键盘接收输入

• 进程 B 要把 A 的输入结果拿去做运算

此时：

• B 必须“直接等待”A 的输出完成

• A 和 B 之间存在直接“逻辑依赖”

直接，是因为进程之间有“结果或状态的因果关系”，必须协调先后执行顺序。

临界资源：进程间共享的软硬件资源 【互斥型共享】

进程同步的典型例子：生产者-消费者问题

• 生产者进程生产产品，消费者进程消费产品
• 具有n个缓冲区的缓冲池
• 生产者进程每次放入一个产品，一个缓冲区满
• 消费者进程每次取走产品，一个缓冲区空
• 不允许生产者进程向满缓冲区放产品
• 不允许消费者进程从空缓冲区取产品
• 互斥共享了缓冲池，每个时刻只有一个进程可以对缓冲池做操作

同步机制应遵循的规则

（1）空闲让进

如果资源（比如临界区）是空闲的，应该立即允许进程进入使用，不要白白等待。

（2）忙则等待

如果资源正在被某个进程使用，其它想用的进程必须等待，不能同时进去。

（3）有限等待

每个想使用资源的进程，等待的时间不能无限长，要有保证最终能轮到它。

（4）让权等待：释放CPU、避免忙等

当一个进程申请资源失败（发现资源正忙），它不应一直死等占着 CPU，而应该主动让出 CPU 给别人用。

信号量机制

（1）整型信号量

使用一个代表资源数目的整型变量

除初始化外，仅两个标准原子操作能访问

• wait(S)和signal(S)
• 分别称为P、V操作     

wait(S)：while S≤0 do no-op 

                S∶= S-1;   

signal(S)：S∶=S+1;

缺点：While循环不能释放处理机，“忙等”，未遵循“让权等待”规则

（2）记录型信号量

不存在“忙等”现象，采取“让权等待”的策略

增加一个进程链表L ，用于链接所有等待进程

等待进程使用阻塞操作进入进程链表L

信号量S是一个结构体：   

type semaphore=record

       value:integer;    //资源可用数量

       L:list of process;    //等待进程队列     

end

PV操作描述

procedure wait(S)

     var S: semaphore;

     begin

         S.value∶= S.value-1;

         if S.value＜0 then block(S,L)     //S.value＜0时，资源已分配完毕，进程调用block原语进行自我阻塞，放弃处理机，并插入到信号量链表S.L中。   

      end

procedure signal(S)

     var S: semaphore;

     begin

              S.value∶= S.value+1;

              if S.value≤0 then wakeup(S,L);     //若加1后S.value≤0，则表示链表中有等待该资源的进程被阻塞，调用wakeup原语，将S.L链表中的第一个等待进程唤醒

     end

AND同步机制的基本思想是：将进程在整个运行过程中需要的所有资源，一次性全部地分配给进程，待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程，其它所有可能为之分配的资源，也不分配给他。 对若干个临界资源的分配，采取原子操作方式：要么全部分配到进程，要么一个也不分配。 由死锁理论可知，这样就可避免上述死锁情况的发生。为此，在wait操作中，增加了一个“AND”条件，故称为AND同步，或称为同时wait操作。包含操作Swait和Ssignal