操作系统第二章

处理器状态

中断技术

1. 中断概念

不同计算机系统中，通常有不同的中断源和中断装置，它们有一个共性，即在中断事件发生后，中断装置能改变处理器内操作的执行顺序

2. 中断源分类

1. 外中断(中断或异步中断)：指来自处理器之外的中断信号
   外中断又分可屏蔽中断和不可屏蔽中断

2. 内中断(异常或同步中断)：指来自处理器内部，通常由于程序执行中，发现与当前指令关联的、不正常的、或是错误的事件，内中断不可屏蔽

   • 访管中断：由执行系统调用而引起
   • 硬件故障中断：如电源失效、协处理器错误、奇偶校验错误、总线超时等
   • 程序性异常：如非法操作、地址越界、页面故障、调试指令、除数为０和浮点溢出等

3. 大部分异常发生在用户态，而内核态唯一发生的异常是“缺页异常”

4. “中断”要求被快速处理，以便及时响应其它中断信号，所以，中断处理程序处理过程中是不能阻塞的；“异常”处于被打断的当前进程上下文中，所提供的服务是当前进程所需要的，所以，异常处理程序处理过程中是可以阻塞的
5. 中断允许发生嵌套，但异常大多为一重；异常处理过程中可能会产生中断，但中断处理过程中决不会被异常打断

3. 中断和异常的响应及服务

• 发现中断源
• 保护现场
• 转向处理中断/异常事件的处理程序
• 恢复现场

4.中断事件处理原则

1. 硬件故障中断
   
   • 需要人工干预，如复位、设置或替换
   • 中断处理程序保护现场、停止设备工作，停止CPU运行、向操作员报告故障信息
2. 程序性中断
   
   • 语法错误、逻辑错误、异常
   • 不同用户处理要求不同，借助于信号机制将捕获中断事件，并原封不动地转交给应用程序自行处理
3. I/O中断
4. 访管中断
5. 时钟中断

5. 中断优先级和多重中断

6. Linux中断处理

进程及其实现

线程及其实现

Linux进程

处理器调度

1. 处理机调度层次

1. 高级调度，又称作业调度、长程调度2. 中级调度，又称平衡调度、中程调度3. 低级调度，又称进程调度/线程调度、短程调度

2. 选择调度算法的原则

1. 资源利用率
   
   • CPU利用率=CPU有效工作时间/CPU总的运行时间
   • CPU总的运行时间=CPU有效工作时间+CPU空闲等待时间
   • 在一定的I/O操作等待时间的比率下，运行程序的道数越多，CPU空闲时间所占的百分比越低
2. 吞吐率
   单位时间内处理的作业数
3. 公平性
   确保每个用户每个进程获得合理的CPU份额或其他资源份额，不会出现饿死情况
4. 响应时间
   
   • 交互式进程从提交一个请求(命令)到接收到响应之间的时间间隔称响应时间
   • 使交互式用户的响应时间尽可能短，或尽快处理实时任务
   • 这是分时系统和实时系统衡量调度性能的一个重要指标
5. 周转时间
   
   • 批处理用户从作业提交给系统开始，到作业完成为止的时间间隔称作业周转时间
   • 如果作业i提交给系统的时刻是ts，完成时刻是tf，该作业的周转时间ti为ti=tf–ts
   • 实际上，它是作业在系统里的等待时间与运行时间之和
   • 应使作业周转时间或平均作业周转时间尽可能短，这是批处理系统衡量调度性能的一个重要指标
6. 带权周转时间
   
   • 作业的周转时间T与系统为其提供服务的服务时间之比
   • 反映作业长短
     
     • 带权周转时间越大，作业越短
     • 带权周转时间越小，作业越长
   • 为了提高系统的性能，要让若干个用户的平均作业周转时间和平均带权周转时间 最小
     平均作业周转时间T=(∑i=1nti)/n
     平均带权作业周转时间T=(∑i=1n(tiai))/n

3. 作业管理与调度

4. 低级调度功能和类型

5. 作业调度和低级调度算法

1. 剥夺式（preemptive） ，又称抢先式
   
   • 高优先级进程/线程可剥夺低优先级进程/线程
   • 当运行进程/线程时间片用完后被剥夺
2. 非剥夺式（nonpreemptive），又称非抢先式
   一旦某个进程/线程开始运行后便不再让出处理器，除非
   
   • 进程/线程运行结束
   • 主动放弃处理器
   • 因发生某个事件而不能继续执行
3. 剥夺式vs.非剥夺式
   
   • 剥夺式策略比非剥夺式策略开销要大，主要是调度程序自身开销，及内存和磁盘对换程序及数据的开销
   • 剥夺式策略可以避免进程/线程长时间地独占处理器，对于实时系统和分时系统有利，能为用户提供高性能服务

低级调度算法类型

1. 先来先服务算法（First Come First Severed，FCFS）
   按照先后次序，不利于短作业而优待了长作业、不利于I/O繁忙作业而利于CPU繁忙作业
2. 最短作业优先算法 （Shortest Job First，SJF）
   每次选择耗时最短的，忽视作业等待时间，会出现饥饿现象，实现需要知道作业所需运行时间，否则调度没有依据。
3. 最短剩余时间优先算法（Shortest Remaining Time First，SRTF）
   如果新作业需要的CPU时间比当前正在执行的作业剩余的CPU时间短，SRTF就强行赶走正在执行的作业。
4. 最高响应比优先算法（Highest Response Ratio First，HRRF）
   介于FCFS与SJF之间的折中的非剥夺式算法，每次选择响应比最高的程序投入运行
   响应比 = 1 + 已等待时间/估计运行时间
   
   1. 短作业容易得到较高响应比
   2. 长作业等待时间足够长后，也会获得足够高响应比
   3. 饥饿现象不会发生
5. 优先级调度算法
   
   1. 静态优先数法
   2. 动态优先数法
      
      • 根据进程等待CPU时间决定
      • 根据进程占有CPU时间决定
6. 时间片轮转法调度（Round-Robin，RR）
   每次把CPU分给就绪队列首进程使用一个时间片，当一个时间片结束时，强迫一个进程让出处理器并且排到就绪队列的尾部。（注意程序到来时间与一个进程结束后的时间前后）
7. 多级反馈队列调度（Multi－Level Feedback Queue，MLFQ）、反馈循环队列、多队列策略
   将就绪队列分为两级或多级、较高优先级的队列一般分配给较短的时间片、处理器优先选择较高优先级队列。

Linux调度算法