操作系统知识复习

 

操作系统知识复习 2011.05.02

多道程序设计(multiprogramming)：宏观并行，微观串行

多重处理(multiprocessing)：宏观并行，微观并行

并发：若干事件在同一个时间间隔内发生（参考RR轮转法）

 

进程：进程是程序的执行过程，是独立分配资源的基本单位

进程控制块PCB（process control block）：包含进程的描述信息，控制信息，资源信息

上下文（context）：一种属性的有序列，为驻留在环境内的对象定义环境。对象的激活过程中创建上下文，对象被配置，多个对象可在同一个上下文内。

进程上下文：进程在执行过程中顺序关联的静态描述

上文：已经执行过 的 进程指令和数据在寄存器和堆栈的内容称

正文：正在执行 ……

下文：待执行   ……

进程上下文的提出 为了 进程上下文切换，就是在进程并发的时候，进程切换前后要保存和恢复该进程的状态，如保存恢复寄存器状态。

进程互斥：

临界区：不允许并发的进程同时对其进行操作的程序区域。（书本上是说不允许进程交叉执行）

互斥准则：①公平竞争 ②有空让进 ③唯一进入 ④有限等待

互斥加锁法：缺点，不能保证准则③，在key发生变化前，多个进程拿到进入权限

信号量和p，v原语：（注意：在p，v原语执行期间不允许中断的发生）

信号量：semaphore['semə,fo]:缩写sem

当sem>=0,sem为可供并发进程使用的实体数

当sem<0,sem为正在等待的进程数

p原语：①sem减一 ②若sem-1 >= 0，p原语返回，进程继续执行 ③若sem-1 < 0，进程进入等待队列，最后转进进程调度

v原语：①sem加一 ②若sem+1 > 0，v原语返回，进程继续执行 ③若sem-1 <= 0，在等待队列中唤醒一个等待进程，再返回原进程继续执行或进行进程调度

 

进程同步：想想打印进程和打印机共同使用一个缓冲区的情况，打印进程要等待缓冲区空时候才会计算要打印的东西，计算后缓冲区满，打印机要缓冲区满时候才会开始打印，打印后缓冲区空。

 

进程死锁条件：①互斥条件 ②不剥夺条件 ③部分分配 ④环路条件

解决死锁：①一次性分配 ②资源顺序分配 ③先释放，后申请

 

线程：在进程的一部分，是CPU调度的一个基本单位，减少调度切换时间，提高效率

线程和其他在同一个进程的线程共享进程的资源，进程拥有一个完整的虚拟地址空间。

线程分类：用户级线程（user-level threads）调度算法和过程全部由程序员自己决定，只进行线程上下文切换而不进行处理机切换，由于用户级线程的上下文切换和内核无关，所以进程的状态是阻塞或等待，线程状态可能还是执行的。

内核级线程（kernel-level threads）由系统内核管理，程序员可以通过系统调用和APC来对其操作，它们会被调度到一个处理机上并发进行，在执行状态时候不会出现阻塞或等待状态。

 

进程调度：①记录系统中所有进程的执行情况 ②选择占有处理机的进程 

③进行进程上下文切换

 

调度算法：

FCFS先来先服务法

RR轮转法，平均分配时间片

OPT优先级调度法

SRR(selfish round robin)线性优先级调度策略

SJF最短作业优先法

SRTF抢占法(只要比当前剩余时间短则抢占)

HRN最高相应比优先法（响应比R=(W+T)/T,其中W是等待时间，T是执行时间）

 

其中FCFS不利于短作业，SJF处理个数多，可有的作业等待时间过长，HRN在两者之间。

 

存储管理

存储器由内存(primary storage)和外存(secondary storage)组成。

 

虚拟存储器(Virtual Memory or Virtual Store)：进程中目标代码、数据等的虚拟地址组成的虚拟空间。

 

地址重定位、地址映射：将逻辑的地址转换为实际的物理地址。

静态地址重定位(static address relocation)：程序自行之前就做好地址的映射工作，优点：不需要硬件支持，缺点：无法实现虚拟存储器，必须占用连续的内存空间，程序和数据难以共享。

动态地址重定位(dynamic[dai'næmik] address relocation)：在程序执行过程中计算实际的物理地址(实际地址=基址+偏移)，要一对硬件寄存器支持，实现虚拟存储器的基础，可以对内存进行非连续分配，有利于程序段的共享。

内存信息保护：①上下界保护法：设定上下界，产生访问地址越界中断

②保护键法：分配保护键作为开关来保护存储块，产生访问地址出错中断

 

分区存储管理：

优点：多个进程对内存的共享，有利于多道程序设计，硬件支持小，算法简单

缺点：效率不高，碎片影响利用率，进程大小受分区控制，分区之间无法信息共享

①固定分区法：一次分区，分区结束后整个执行过程分区将不会发生改变，缺点：浪费

②动态分区法：按照作业调度次序分区，3种方法

a 最先适应法(first fit algorithm)，尽可能地用了低地址，速度快，开销小

b 最佳适应法(best fit algorithm)，由小到大排序，找刚合适的，会留碎片

c 最坏适应法(worst fit algorithm)，由大到小排序，找最大的，尽量不留碎片

覆盖技术：在同一个进程中进行

把不需要同时执行的程序段放在共享的内存区中，要程序员写出覆盖结构。下面为程序的调用关系例如A(20K)调用B(50K)或C(30K)，就选B和C之间最大的大小做覆盖区大小，则占用大小为20+50=70K

 交换技术：在不同进程中进行

就是把在等待状态的进程的数据一部分换出内存交换区(swap out)，让外存的要使用的数据换入内存交换区(swap in)。只是由操作系统自己完成的。

 

页式存储管理：

优点：有效解决碎片为题，提供内外存统一管理的虚拟实现方式，主存利用率高，扩大主存

缺点：要硬件支持，增加系统开销如缺页中断处理，消除了碎片，进程最后一页没利用

把进程的虚拟内存空间划分为长度相等的页(page)

把内存空间按页的大小划分为帧(page frame)

 

上图：页长为1K，拥有1024页的控件地址结构

静态页式管理：在进程开始执行前，把进程的程序段和数据全部装入内存的各个页面中

组成：a 页表(page mapping table)：页号 和 页面号

      b 硬件地址变换机构

地址变换：2次寻址

例如：(页号,页面号)={(0,2), (1,3), (2, 8)}，每个页面长度为1K，指令MOV [2500],4 的虚地址为100，整个寻址过程为

①由虚地址为100 ——》 第0页，第100个单元 ——》页面号为2，则2*1K+100 = 2148

在物理地址2148找到了这条指令

②2500/1K = 2 余 452 ——》 所在的页号为2，第452个单元 ——》 页面号为8，则1K*8+452 = 8644

物理地址8644 就是[2500] 的地址，就是说把4这个数据放到8644物理地址上

优点：解决了分区管理的碎片问题缺点：进程大小受内存可用页面数的限制

展望：高速联想存储器

动态页式管理：只装入反复执行和调用的工作区部分，请求页式管理和预调入页式管理

通过加上一个中断处理(终端位)来确认该页是否在外存中，和加上一个外存副本起始始址，再加上一个改变位，如果在调入内存的数据没有改变，那么就不用回调跟新外存副本了。

(页号，页面号，中断位，外存始址，改变位)

如果页面之间的调出调入非常频繁，产生抖动(thrashing)现象

缺页中断：硬件变换机构发现页面不在内存中，发出的中断。

置换算法：

①随机淘汰算法，在根本无法预测页面访问频率时候，随机换出在内存中的页面

②FIFO：先换进，先换出，Belady现象：分配的页面数目增多，反而去也中断率增加

因为没有考虑程序执行的动态特征

③RR轮转法：按时间换出

FIFO和RR的内存利用率不高，因为可能有的页面虽然存在时间长了，但是会访问频繁。

④LRU(last recently used)最近最久未使用，难以实现，巨大系统开销

⑤LFU(last frequently used)最不经常使用，要淘汰时候，淘汰上次淘汰到现在使用计数最小的页面，每次计数器清零。

⑥NUR(no used recently)最近没使用，要淘汰时候，淘汰上次淘汰到现在最近没有被使用的页面，通过标志确定，每次都清标志

⑦OPT(optional replacement algorithm)理想淘汰算法，无法实现，进程往往是无法预测的

存储保护：①地址越界保护 ②页表控制内存操作保护

 

段式管理：

优点：每次交换的是一段有意义的信息，段长动态增长，具有对立逻辑的段可共享

缺点：硬件支持，高系统开销，碎片管理比页式差，段长度收内存可用区限制，可能抖动

由于分区式管理和页式管理时，进程地址空间都是线性的，所以要在编译链接的时候，把程序中的各个区域按现行空间排列起来，所以不同进程之间共享公用子程序和数据困难。

按过程(函数)分段，每段有自己的名字。

其实段式管理和动态页式管理差不多，就是段长可以变化，动态增长的，每个段对应一个模块module。

 

段页式管理：

段式管理方便，可共享，页式管理可以很好的克服碎片，提高存储器利用率。两者结合，虽然会带来很大的开销，但是贵在值得。

(段号，页号，页內对应地址)

通过段号找到段表，通过段表找到对应的页表，再在页表中找到页面号码，算出物理地址

共三个阶段查找。

 

Windows 内存管理机制：

①x86体系的处理器，页大小一般为4KB，预留机制让程序尽量得到连续虚拟地址空间

②一个进程对共享内存进行修改，为了不对共享数据产生影响，都是先把要修改的地方拷贝一份，然后这个进程再对拷贝的那一份修改，而且拷贝的那一份成了这个进程的私有页面。

这就是“拷贝后写入”的共享内存机制，同一块物理地址在不同进程空间中映射。

③堆管理，内存申请是以页（4KB）为单位的。如果要申请的内存较小时候，可以使用堆管理器管理，对于win32系统，堆管理器的内存分配 粒度可以小到8字节，每个进程都有一个进程堆，进程创建时候缺省分配1MB的进程堆空间，系统视情况动态增加进程堆空间。

④系统内存池，一些内核服务和驱动常驻内存，所以有一个不分页的内存池为服务分配内存而且还不会调到外存去，驱动例外，要通过内核模式来访问这些空间。