操作系统笔记2
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l? 進程
l? 并發：多個程序在一段時間內同時發生
l? 進程是什么?與程序區別
進程就是用于描述、控制程序在內存中并發運行的一個東東
程序的一次執行
是一個程序與其數據一道通過處理機的執行所發生的活動
進程是進程實體的運行過程，是系統進行資源分配和調度的一個獨立單位。
? 動與靜：
l? 進程是動態的，程序是靜態的：程序是有序代碼的集合；進程是程序的執行。
? 永久與暫時：
l? 進程是暫時的，程序是永久的：進程是一個狀態變化的過程，程序可長久保存。
? 結構：
l? 進程的組成包括程序、數據和進程控制塊（進程各種控制信息）。
? 進程與程序的對應關系：
l? 都可1對n。通過多次執行，一個程序可對應多個進程；通過調用關系，一個進程可包括多個程序。
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l? 進程的基本狀態
(1)就緒狀態(Ready)
????? 進程獲得除CPU之外的所有必需資源，一旦得到CPU控制權，可立即運行。
(2)運行狀態(Running)
????? 進程已獲得所有運行必需的資源，正在處理機上執行。
(3)阻塞狀態(Blocked)
????? 正在執行的進程由于發生某事件（請求I/O、申請緩沖、時間片到）而暫時無法執行時，便放棄CPU后暫停
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l? 進程控制塊PCB.
進程實體：代碼段+數據段+PCB
Pcb存放進程的管理和控制信息的數據結構
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進程控制塊中的信息（pcb內）：
進程標識符信息
處理機狀態信息
進程調度信息
進程控制信息
l? 進程的創建、阻塞、終止過程
創建過程：
(1) 申請空白PCB
(2) 為新進程分配資源
??????????? 主要是內存資源的處理
(3) 初始化進程控制塊
??????????? 標識符（包括父進程的）、程序計數器指向程序入口地址，就緒態、優先級等信息的填寫。
(4) 將新進程插入就緒隊列
阻塞過程：
（1）將PCB中的狀態改為阻塞
（2）該PCB加入到阻塞隊列中
（3）轉進程調度，將處理機分配給另一進程
（4）進行進程切換，即根據兩切換進程的PCB，保護與重新設置處理機狀態
（阻塞原因了解：）
請求系統服務的滿足情況
啟動某種需等待（I/O）操作
合作需要的新數據尚未到達
執行某功能的進程暫時無新工作可做(如發送數據進程)
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終止過程：
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(1) 根據進程標示符，檢索出該進程PCB，讀其狀態。
????? *IF 執行態，立即終止該進程，置調度標志為真，指示重新進行調度。
????? *IF 有子孫進程，亦應予以終止，以防成為不可控進程。
(2) 歸還全部資源至其父進程或系統。
(3) 將該進程PCB從所在隊列或鏈表中移出。
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l? 進程同步問題:源于進程的相互制約關系：資源共享，有序合作
l? 同步的概念：并發執行的諸進程之間能有效地共享資源和相互合作，從而使程序的執行具有可再現性。
l? 控制同步的四大原則
空閑讓進：資源使用最基本原則
忙則等待：保證互斥
有限等待：合適時被喚醒防止死等
讓權等待：能主動釋放CPU防止忙等
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l? 臨界資源、臨界區
一次僅允許一個進程使用的資源
每個進程中訪問臨界資源的那段代碼叫臨界區。
為了正確同步，對臨界區的代碼要增加控制
l? 信號量機制
最初的信號量機制，兩個原子操作對一個共享整型量進行操作。
信號量定義為一個整型量；
根據初始情況賦相應的值；
僅能通過兩個原子操作來訪問。
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l? 信號量操作原語wait、signal
P操作? wait(S):
????????????? While S<=0 do no-op;
????????????? S:=S-1;
V操作? signal(S):??? ?
????????????? S:=S+1;
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互斥：在操作系統中，當一個進程進入臨界區使用臨界資源時，另一個進程必須等待，直到占用臨界資源的進程退出臨界區，我們稱進程之間的這種相互制約關系為“互斥”。
同步：多個相互合作的進程，在一些關鍵點上可能需要互相等待或互相交換信息，這種相互制約關系稱為進程同步關系。可理解為“有序”。
l? 典型同步題目：
l? 生產者-消費者 互斥-同步
一群生產者進程生產產品供給消費者進程消費，在兩者之間設置具有n個緩沖區的緩沖池，生產者進程所生產的產品放入一個緩沖區中，消費者進程可從一個緩沖區中取走產品去消費。
生產者和消費者都以異步方式運行，但它們之間必須保持同步：沒有產品不能取，沒有空間不能放。也不能同時對一個空間進行取和放
type? item=……;表示一個產品
Var? n, integer;緩沖區大小
counter:0, 1, …, n; 緩沖區內產品計數的變量
var? buffer: array[0, 1, …, n-1] of? item;該數組代表具有n個緩沖區的緩沖池
in, out: 0, 1, …, n-1指示生產者和消費者放或取的下一個緩沖區位置指針，初值均為0。
in加1表示為in:=(in+1)mod n
out加1表示為out:=(out+1)mod n
當(in+1)mod n=out時表示緩沖池滿
in=out表示緩沖池空
Producer:?
? repeat
???? …
???? 生產 an item in nextp;?
???? …
???? while counter= n
???????? do no-op;
???? buffer[in]:=nextp;
???? in:=in+1 mod n;
???? counter:=counter+1;
? until false;
Consumer:
? repeat
???? while counter= 0
???????? do no-op;
???? nextc:=buffer[out];
???? out:=out+1 mod n;
???? counter:=counter-1;
???? …
???? 消費產品item in nextc;
? until false;
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取、用類，計數控制+互斥
l? 哲學家進餐 互斥
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計數類、死鎖相關
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l? 讀者-寫者
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l? 有條件的互斥 類似典型題目：單行路，同方向的不互斥；異向互斥
Writer :
repeat
?? wait(wmutex);
?? 寫入文件；
?? signal(wmutex);
until? false;
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l? 信號量規律：
l? 分析同步關系、設置信號量初值、PV操作順序
1.?? P、V操作成對出現
2.?? 多個進程對互斥同步，PV操作成對出現的同進程中，初值為1
3.?? 多個進程的有序同步，PV操作成對出現在不同進程中，有V操作的進程可通過控制先于有P操作的進程執行。初值根據應用情況設置。
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l? 一閱覽室最多容納100人，讀者進入和離開都要在登記表上登記，每次只允許一個人登記。如何編寫進程間的同步關系。
l? 資源：空數N，登記表S
l? 信號量n=N，mutex=1
l? 進程：讀者進程
u wait（n）
u wait（mutex）
l? 進入
u signal（mutex）
l? 閱讀后離開
u signal（n）
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l? 有一只鐵籠子，每次只能放入一只動物，獵手向籠中放入老虎，農民向籠中放入豬，動物園等待取籠中的老虎，飯店等待取籠中的豬，試用信號量機制實現獵手、農民、動物園、飯店之間同步執行的程序。（解釋其中的信號量含義，并給出合適的初值。）
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l? 設有一自助餐廳，可容納10名顧客就餐，餐廳滿時顧客需在門外排隊等候；顧客若能進入則自取食物后到款臺付款；收款員負責在收款臺等待顧客付款，付款完畢顧客自行就餐后離開。分析該問題中的同步關系，試寫出顧客進程和收款員進程信號量機制下的同步算法，注意寫明信號量的初值和作用。
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l? 【分析】顧客存在爭搶進店的競爭關系，設置一個資源信號量r，初值為10；
收款員與顧客間存在雙向有序合作關系，收款員需等待顧客付款，顧客需等待收款員確認付款完畢，需設置兩個同步信號量money，ok，初值均為0.
【算法偽代碼如下】
semaphore r=10，money=0，ok=0；
l? 顧客:
l? void custom（）{
u while（true）{
l? wait（r）;
u //資源信號量操作成對正確
l? enter;
l? take something;
l? signal（money）;
l? pay money;
l? wait(ok);??
l? signal(r);
l? leave;
u }}?
l? 售貨員:
l? void seller（）{
u while（true）{
n? wait（money）;
u //同步信號操作配對正確
n? accept money，give changes
n? signal（ok）；
u //同步信號操作配對正確
u }}?
l? CPU調度
l? 三級調度
高級調度：主要在早期批處理階段，處理在外存上的作業
低級調度: 決定內存就緒隊列中的哪個進程獲得處理機，進行分配工作。是最基本的一種調度
中級調度：提高內存利用率和系統吞吐量。根據條件將一些進程調出或再調入內存
l? 調度時機\搶占\算法計算
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l? 調度程序的運行時機：
程序正常完成
IO\PV阻塞
時間片到
新任務產生
調度算法
基本調度算法：
a)?? 先來先服務調度算法FCFS，不利于短作業
b)?? 短作業（進程）優先調度算法SJF/SPF，降低作業的平均等待時間，提高系統吞吐量。
c)?? 高優先權優先調度算法HPF，
d)?? 高響應比優先調度算法HRRN，
e)?? 基于時間片的輪轉調度算法RR，
f)?? 多級反饋隊列算法FB
* 實時調度
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l? 某系統的進程請求如右圖，畫出RR調度下的調度過程圖。并計算平均周轉時間。設時間片為2。
| 進程名 | 開始時刻 | 執行時間 |
| A | 0 | 3 |
| B | 2 | 3 |
| C | 3 | 4 |
| D | 4 | 7 |
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l? 死鎖的相關概念與認識
1.?? 四個必要條件
u 互斥條件：進程對所分配到的資源進行排他性使用
u 請求和保持條件：進程已經保持了至少一個資源，又提出新的資源請求，而新請求資源被其他進程占有只能造成自身進程阻塞，但對自己已獲得的其他資源保持不放，必然影響其他進程。
u 不剝奪條件：進程已獲得的資源未使用完之前不能被剝奪，只能在使用完時由自己釋放。
u 環路等待條件
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2.?? 處理死鎖的各種方法
①?? 預防死鎖
v 設置限制條件，破壞四個必要條件的一個或幾個，預防發生死鎖。
v 較易實現。限制條件的嚴格也會導致系統資源利用率和系統吞吐量降低。
②?? 避免死鎖
v 不須事先限制，破壞四個必要條件，而是在資源的動態分配過程中，用某種方法去防止系統進入不安全狀態，從而避免發生死鎖。
v 這種事先加以較弱限制的方法，實現上有一定難度，但可獲較高的資源利用率及系統吞吐量，目前在較完善的系統中，常用此方法來避免發生死鎖。
③?? 檢測死鎖。
v 允許系統運行過程中發生死鎖，但通過系統檢測機構可及時的檢測出，能精確確定與死鎖有關的進程和資源；然后采取適當的措施，從系統中將已發生的死鎖清除掉。
④?? 解除死鎖。
v 與死鎖檢測配套的一種措施。
v 常用的實施方法：撤銷或掛起一些進程，以便回收一些資源并將他們分配給已阻塞進程，使之轉為就緒以繼續運行。
v? 死鎖的檢測與解除措施，有可能使系統獲得較好的資源利用率和吞吐量（死鎖幾率不一定很高），但在實現上難度也最大。
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l? 避免死鎖的銀行家算法（相對預防死鎖，是一種軟限制。）
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下面出現P1請求資源的操作，具體請求向量為Request1(1,0,2)，利用銀行家算法進行檢查該操作是否是安全可行的：
1）兩個基本判斷
??????????? Request1(1,0,2)<=Need1(1,2,2)
??????????? Request1(1,0,2)<=Available1(3,3,2)
2）先假設為P1分配資源，并修改Available,Allocation1和Need1向量。
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向量Available
最大需求、已獲得的、還需要的
最大需求矩陣Max
已分配矩陣Allocation
還需求的矩陣Need
1.?? 安全狀態
2.?? 算法、計算
a)?? 系統中有m個進程,出現死鎖時死鎖進程的個數k:?? 2≤k≤m
b)?? 某類資源m個，n個進程都需要此種資源a個，如何不死鎖：n*(a-1)+1≤m
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l? 存儲器管理
l? 連續分配
1.?? 單一連續、固定分區
2.?? 動態分區分配
3.?? 可重定位動態分區（有緊湊功能）
l? 離散分配
1.?? 分頁，地址轉換過程，計算
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內存劃分成多個小單元，每個單元K大小，稱（物理）塊。作業也按K單位大小劃分成片，稱為頁面。
①??? ?物理劃分塊的大小 = 邏輯劃分的頁的大小
②???
內存位數=頁面大小（位數）+頁表項（塊號位數）
大小：內存=頁面大小x頁面個數
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2.?? 分段
虛擬
概念：虛擬、局部性
先進先出置換算法（FIFO）Belady現象（出現分配的頁面數增多，缺頁率反而提高的異常現象）的原因：FIFO算法的置換特征與進程訪問內存的動態特征矛盾，即被置換的頁面并不是進程不會訪問的
1.?? 置換調度算法：最近最久未使用(LRU)置換算法, 最近未使用算法CLOCK：
2.?? 缺頁次數（掉入次數）
u 缺頁率=缺頁次數/總的頁面數
l? 例
l? 分頁系統，主存容量64K，頁面大小1K。
l? 一個4K大的作業，0-3頁分別分配到物理塊2、4、6、7中。
1.?? 該作業的邏輯地址格式如何？
2.?? 十進制的邏輯地址1023（B）轉換為物理地址
3.?? 畫出地址變換過程。
答：
即頁號與頁內地址位數大小
該作業的4個頁面編號需要2位；每頁1K大小，即1K條指令編號需10位
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l? 邏輯地址1023
1023/1K=0 余 1023
0頁對應物理塊2，所以物理地址是
2 * 1K + 1023 = 2048+1023=3071
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l? 例
l? 虛擬內存管理中的LRU頁面置換算法
l? 設頁面走向如下，分配給該作業3個內存塊，畫出置換過程圖，并計算缺頁率。
4? 5? 8? 1? 3? 4? 4? 6? 5? 1? 2? 7? 6? 1? 3
文件管理
l? 文件的結構
l? 邏輯結構：
u 有結構文件：順序，鏈接，索引
l? 物理結構： 已分配空間的記錄
u 連續、鏈接、索引、混合索引分配方式
l? FAT表計算，索引文件大小的計算，UNIX下的混合索引
l? 空閑空間管理
l? 表、盤區\盤塊鏈、成組鏈接、位示圖
l? 目錄、共享
l? 例：FAT與索引的計算
l? FAT表的計算
1.?? 物理空間容量/盤塊大小 = FAT表項個數
2.?? 個數決定位數,決定每項大小
3.?? 個數*每項大小
l? 索引結點
1.?? 盤塊大小/盤塊號大小 = 可記錄的盤塊個數
2.?? 單索引下，一個索引結點能記錄N個盤塊，則文件最大長度為：N*盤塊大小
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l? 例：混合索引分配方式的計算
l? FCB有13個地址項，0-9為直接地址，10為一次間接地址，11為二次間接地址，12為三次間接地址。若盤塊大小為512B，盤塊號需3B記錄，每個盤塊最多存放170個盤塊地址。
l? 該文件系統文件最大允許多長？
u 10+170+170*170+170*170*170 = 4942080塊
u = 4942080*512B = 2471040 KB
l? 將文件字節偏移量15000轉換為物理塊號和塊內偏移。
u 15000/512 = 29 余152。10=<29<=10+170.
u 所以文件使用的第29塊盤塊號，記錄在FCB中的10項，即一次間接地址的索引盤塊中。從10項記錄的地址找到索引表，第19項即是要找的物理塊。
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l? 若FCB已存在內存，其他信息均在外存，訪問該文件某位置的內容，最少/最多需要幾次訪問磁盤？
最少需訪問磁盤的情況是直接尋址，直接讀FCB中記錄的地址，訪問磁盤1次即可
最多需訪問磁盤的情況是三次間接尋址的過程，需讀三次間接索引塊中的內容，然后讀它里面記錄的二次接索引塊中的內容，再一次的，最后才能獲得文件信息的實際地址。姑，最多情況需4次訪問磁盤。
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l? 外存空間的管理
空閑空間的三種分配方式：連續、鏈接、索引
空閑空間的管理
1.?? 空閑表/鏈、位示土圖、成組鏈接
2.?? 成組鏈接
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l? 例：某系統采用成組鏈接法管理磁盤空閑空間，目前狀態如下圖，問：
l? 還有多少空閑盤塊？
l? 若從當前狀態下，系統分配3個盤塊給某文件后，又刪除另一文件，回收了第700，711，703，788，701這5個盤塊。則磁盤空間的狀態圖中的鏈接情況又如何？
l? 空閑盤塊成組鏈接示意圖
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l? 設備管理
l? I\0 系統的組成
CPU\通道\控制器\設備
l? 磁盤緩沖管理的作用、方式
l? 虛擬:spooling
l? I\O軟件層次
中斷處理程序\設備驅動程序\設備獨立性程序\用戶應用程序
l? 磁盤調度
電梯調度算法等p233
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總結
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