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这一次,彻底拿下操作系统!!!

民工哥技术之路 | 专注互联网IT开源技术分享 2022/01/14 16:02

进程和线程

进程和线程的区别

线程具有许多传统进程所具有的特征,故又称为轻型进程(Light—Weight Process)或进程元;而把传统的进程称为重型进程(Heavy—Weight Process),它相当于只有一个线程的任务。在引入了线程的操作系统中,通常一个进程都有若干个线程,至少包含一个线程。

  • 根本区别 :进程是操作系统资源分配的基本单位,而线程是处理器任务调度和执行的基本单位

  • 资源开销 :每个进程都有独立的代码和数据空间(程序上下文),程序之间的切换会有较大的开销;线程可以看做轻量级的进程,同一类线程共享代码和数据空间,每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器(PC),线程之间切换的开销小。

  • 包含关系 :如果一个进程内有多个线程,则执行过程不是一条线的,而是多条线(线程)共同完成的;线程是进程的一部分,所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。

  • 内存分配 :同一进程的线程共享本进程的地址空间和资源,而进程之间的地址空间和资源是相互独立的

  • 影响关系 :一个进程崩溃后,在保护模式下不会对其他进程产生影响,但是一个线程崩溃整个进程都死掉。所以多进程要比多线程健壮。

  • 执行过程 :每个独立的进程有程序运行的入口、顺序执行序列和程序出口。但是线程不能独立执行,必须依存在应用程序中,由应用程序提供多个线程执行控制,两者均可并发执行

进程的状态转换

三种基本状态:

  • 运行态 :占用CPU,并在CPU上运行

  • 就绪态 :已经具备了运行条件,但由于没有空闲的CPU,而暂时不能运行

  • 阻塞态 :因等待某一事件而暂时不能运行

另外两种状态:

  • 创建态 :进程正在被创建,操作系统为进程分配资源,初始化PCB

  • 进程正在从系统中撤销,操作系统会回收进程拥有的资源,撤销PCB

进程间的通信

  • 对于同步和互斥的理解:

区别:

互斥:是指三部在不同进程之间的若干程序片断,当某个进程运行其中一个程序片段时,其它进程就不能运行它们之中的任一程序片段,只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。

同步:是指散步在不同进程之间的若干程序片断,它们的运行必须严格按照规定的 某种先后次序来运行,这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

联系

同步是一种更为复杂的互斥,而互斥是一种特殊的同步。也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行,他们会相互排斥,必须等待一个线程运行完毕,另一个才能运行,而同步也是不能同时运行,但他是必须要安照某种次序来运行相应的线程(也是一种互斥)。

  • 进程间为什么需要通信

在操作系统中,协作的进程可能共享一些彼此都能共同读写的一些有限资源。而这些资源是有限的,或者如一些共享内存,进程随意读写可能会造成数据的顺序,内容等发生错乱,进程不能对其随意的使用,读写等。从而会发生竞争。我们把对共享内存进行访问的程序片称为临界资源或临界区,对同一共享内存,任何时候两个进程不能同时处于临界区.

  • 进程间通信的目的:

  • 数据传输:一个进程需要将它的数据发送给另一个进程。

  • 通知事件:一个进程需要向另一个或一组进程发送消息,通知它(它们)发生了某种事件(如进程终止时要通知父进程)。

  • 资源共享:多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点,需要内核提供互斥和同步机制。

  • 进程控制:有些进程希望完全控制另一个进程的执行(如 Debug 进程),此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常,并能够及时知道它的状态改变

  • 进程间通信的方式

1.管道通信

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  • 管道只能采取半双工通信,某一时间段内只能实现单向的传输。如果要实现双向同时通信,则需要设置两个管道

  • 各个进程要互斥的访问管道

  • 数据以字节流的形式写入管道,当管道写满时,写进程的write()系统调用将会被阻塞,等待读进程将数据取走。当读进程将数据全部取走后,管道变空,此时读进程的read()系统调用将会被阻塞

注意:匿名管道只能用于有亲缘关系间的进程,而有名管道允许无亲缘关系的进程间通信

2.消息队列MessageQueue

消息队列是由消息的链表,存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

3.信号

信号是进程之间唯一的异步通信机制,信号的主要来源主要有硬件来源(入键盘操作ctrl + C) 和软件来源(如kill命令),信号传递的信息比较少,主要用于通知进程某个时间已经发生。比如利用kill pid,可以让系统优雅停机。

4.信号量

信号量是一个计数器,可以用来控制多个进程对资源的访问,通常作为一种锁机制,防止某个进程正在访问共享资源,其他进程也访问资源

5.共享内存

共享内存就是映射一段能被进程之间共享的内存,这段内存由一个进程创建,但是多个进程都可以共享访问,是最快的一种进程间通信的方式(不需要从用户态到内核态的切换),它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制,如信号量,配合使用,来实现进程间的同步和通信。

6.Socket

socket套接字,不仅仅可以用于本地进程通信,还可以用于不通主机进程之间的通信。

进程的调度和处理机调度

进程调度(低级调度),就是按照某种算法,从就绪队列中选择一个进程为其分配处理机

  • 进程调度的时机

    • 进程主动放弃处理机:进程正常终止,发生异常终止,进程主动请求阻塞(如等待I/O)等

    • 进程被动放弃处理机:分配的时间片用完,IO中断,有更高的优先级进程进入就绪队列等

  • 调度算法

    • 设置多级就绪队列,各级的队列优先级从高到低,时间片从小到大

    • 新进程到达时先进入第一级队列,按照先来先服务排队等待被分配时间片,若用完时间片进程还未结束,则进程进入下一级队列的队尾,如果此时已经在最下级队列,则从新放回最后一级队列的队尾

    • 只有当第K级的队列为空时,才会为K+1级的队列队头的进程分配时间片

    • 先来先服务

    • 最短作业优先

    • 最高响应比优先 响应比:(等待时间+服务时间)/要求服务的时间

    • 时间片轮转调度

    • 优先级调度

    • 多级反馈队列

内存管理

内存管理的功能

  • 内存空间的分配与回收 :由操作系统完成主存储器空间的分配和管理,使程序员摆脱存储分配的麻烦,提高编程效率。

  • 地址转换 :在多道程序环境下, 程序中的逻辑地址与内存中的物理地址不可能一致, 因此存储管理必须提供地址变换功能,把逻辑地址转换成相应的物理地址。

  • 内存空间的扩充 :利用虚拟存储技术或自动覆盖技术,从逻辑上扩充内存 。

  • 存储保护 :保证各道作业在各自的存储空间内运行,互不干扰。

内存分配方式

连续分配管理方式

连续分配方式,是指为一个用户程序分配一个连续的内存空间,比如说某用户需要1GB的内存空间,它就在内存空间中分配一块连续的 1GB的空间给用户。

  • 单一连续分配 :内存在此方式下分为系统区和用户区,系统区仅提供给操作系统使用,通常在低地址部分;用户区是为用户提供的、除系统区之外的内存空间。这种方式无需进行内存保护。

  • 固定分区分配 :固定分区分配是最简单的一种多道程序存储管理方式,它将用户内存空间划分为若干个固定大小的区域,每个分区只装入一道作业。当有空闲分区时,便可以再从外存的后备作业队列中, 选择适当大小的作业装入该分区,如此循环。

  • 动态分区分配 :动态分区分配又称为可变分区分配,是一种动态划分内存的分区方法。这种分区方法不预先将内存划分,而是在进程装入内存时,根据进程的大小动态地建立分区 ,并使分区的大小正好适合进程的需要。因此系统中分区的大小和数目是可变的。

分配策略算法

  • 首次适应 (First Fit) 算法:空闲分区以地址递增的次序链接。分配内存时顺序查找,找到大小能满足要求的第一个空闲分区。

  • 最佳适应 ( Best Fit )算法:空闲分区按容量递增形成分区链,找到第一个能满足要求的空闲分区。

  • 最坏适应 ( Worst Fit )算法:又称最大适应 ( Largest Fit )算法,空闲分区以容量递减的次序链接。找到第一个能满足要求的空闲分区,也就是挑选出最大的分区。

  • 邻近适应 ( Next Fit )算法:又称循环首次适应算法,由首次适应算法演变而成。不同之处是分配内存时从上次查找结束的位置开始继续查找。

非连续分配管理方式

非连续分配允许一个程序分散地装入到不相邻的内存分区中

分页存储管理方式

  • 将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如:每个分区4KB),每个分区就是一个页框(页帧,内存块,物理块),每个页框都有一个编号,即页框号(页帧号,内存块号,物理块号),页框号从0开始

  • 将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域,称为 "页"或 “页面”,每个页面也有一个编号,即页号,页号也是从0开始( 注意 :进程最后一个页面可能没有页框那么大,因此页框不能太大,否则会产生过大的内部碎片)

  • 操作系统以页框为单位为各个进程分配内存空间。进程的每个页面分别放入一个页框中,则进程的页面和内存的页框产生了一一对应的关系

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分段存储管理方式

  • 进程的地址空间:按照程序自身的逻辑关系划分为若干个段,每个段都有一个段名(在低级语言中,程序员使用段名来编程),每段从0开始编址

  • 内存分配规则:以段位单位进行分配,每个段在内存中占据连续空间,但是各个段之间可以不相邻

  • 优点:由于是按逻辑功能划分,用户编程更加方便,程序的可读性更高

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分页和分段存储管理的区别

  • 页是信息的物理单位,分页是为实现离散分配方式,提高内存利用率。分页仅仅是由于系统管理的需要而并不是用户的需要。而段则是信息的逻辑单位,是为了更好地满足用户的需要。

  • 分段比分页更容易实现信息的保护与共享,分段可以在某个段编写逻辑,实现对另外一个段的保护,而分页不行

  • 页的大小固定且由系统决定,而段的长度取决于用户所编写的程序。

页面置换算法(追求最少的缺页率)

最佳置换算法OPT(无法实现,作为一个标准):每次选择淘汰的页面将是以后永不使用,或者在最长的时间内不被使用,由于无法预知将会访问哪些页面,所以这种算法无法实现,只能作为一个标准

例如:需要访问7 0 1 2 0 3 0 4 2 3 0 3 2 1 2 0 1 7 0 1,则访问顺序:

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先进先出置换算法FIFO:每次选择淘汰的页面是最早进入内存的页面

例如:需要访问 3 2 1 0 3 2 4 3 2 1 0 4 ,则访问顺序

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最近最久未使用置换算法(LRU):每次淘汰的页面是最近最久未使用的页面

例如:需要访问 1 8 1 7 8 2 7 2 1 8 3 8 2 1 3 1 7 1 3 7 则访问顺序

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最近未用置换算法NRU(Clock算法):为每个页面设置一个访问位,再将内存中的页面都通过链接指针链接成一个循环队列。当某页被访问时,其访问位置为1.当需要淘汰某个页面时,只需要检查页的访问位。如果是0,就将该页面换出,如果是1,则将他置为0,暂不换出。继续检查下一个页面,如果第一轮扫描之后全是1,则扫描完成,这些都置为0.再进行第二轮扫描,因此简单的Clock算法选择一个页面淘汰最多两轮

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文件管理

文件的分配方式(物理结构)

文件块和磁盘块:类似于内存的分页

磁盘块:磁盘中的存储单元会被分为一个个"块/磁盘块/物理块",在很多的操作系统中,磁盘块的大小与内存块,页面的大小相同

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文件块:在外存管理中,为了方便对文件数据的管理,文件的逻辑地址空间被分为一个一个的文件块,文件的逻辑地址可以表示为(逻辑块号,块内地址)的形式。用户通过逻辑地址来操作自己的文件,操作系统负责实现从逻辑地址到物理地址的映射。

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文件的分配方式

连续分配 :要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块

  • 优点:支持顺序访问和直接访问(类似数组),连续分配的文件在顺序访问时速度最快

  • 缺点:不方便文件的扩展,存储空间利用率低,会产生磁盘碎片

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链接分配 :采取离散分配的方式,为文件分配离散的磁盘块。(类似链表数据结构)

  • 隐式链接:目录中记录的文件的起始块号和结束块号。除了文件最后一个磁盘块之外,每个磁盘块中都会保存指向下一个盘块的指针,这些指针对用户是透明的,每次访问某个磁盘块都需从头访问

    • 优点:方便文件的扩展,不会产生碎片问题,外存的利用率高

    • 缺点:只支持顺序访问,不支持随机访问,查找时效率低

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* 显示链接:把用于链接文件各物理块的指针显示的存放在一张表中,即文件分配表。文件目录只需要记录起始块号。一个磁盘只需要设置一张分配表,开机时,将分配表读入内存,并常驻内存

* 优点:支持顺序访问,也支持随机访问,方便文件的扩展,不会产生碎片问题,地址转换不需要访问磁盘,因此文件的访问效率更高

* 缺点:文件分配表需要占据一定的存储空间

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索引分配 :索引分配允许文件离散的分配在各个磁盘块中,系统会为每个文件建立一张索引表,索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块(索引表的功能类似于内存管理的页表–建立逻辑页面到物理页面之间的映射关系)。索引表存放的磁盘块称为索引块,文件数据存放的磁盘块称为数据块

文件存储空间管理

存储空间的划分和初始化

存储空间的划分:将物理磁盘划分为一个个文件卷(逻辑卷,逻辑盘,如Windows系统下的C,D,E盘等)

有的系统支持超大型文件,可由多个物理磁盘组成一个文件卷

存储空间的初始化:将各个文件卷划分为目录区,文件区

  • 目录区:目录区主要存放文件的目录信息(FCB),用于磁盘存储空间的管理的信息

  • 文件区:文件区用于存放文件数据

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存储空间的管理方法

空闲表法:与内存管理中的动态分区分配很类似,为一个文件分配连续的存储空间。同样可以采用首次适应,最佳适应,最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间

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空闲链表法:分为—>

  • 空闲盘块链:以盘块为单位组成一条空闲链

  • 空闲盘区链:以盘区为单位组成一条空闲链

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位示图法:每个二进制位代表一个盘块。例如可以用"0"来代表盘块空闲 ,"1"代表盘块已经分配

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成组链接法:UNIX采用的策略,适合大型的文件系统。

IO管理

磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间:寻找时间+延迟时间+传输时间

  • 寻找时间:在读/写前,将磁头移动到指定磁道所画的时间(启动磁头臂和移动磁头臂)

  • 延迟时间:通过旋转磁盘,使磁头定位到目标扇区所需要的时间

  • 传输时间:从磁盘中读出或写入数据所经历的时间

磁盘调度算法:

  • 先来先服务算法(FIFO):根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度

  • 最短寻找时间优先算法(SSTF):优先处理的磁道是与当前磁道最近的磁道,可以保证每次的寻道时间最短,但是不能保证总的寻道时间最短(贪心算法)

  • 扫描算法(SCAN,电梯调度算法):SSTF算法可能会产生饥饿,磁头有可能在一个小区域内来回移动,因此扫描算法规定,只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动,移动到最内侧磁道才能往外移动,在这个基础上使用SSTF算法

  • 循环扫描算法(C-SCAN):SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均,C-SCAN算法在SCAN算法的基础上规定:只有磁头朝着某个特定的方向移动时才能处理磁道的访问请求,而返回时直接快速移动到起始端而不处理任何请求

死锁

对死锁的理解

如果一组进程中的每个进程都在等待一个事件,而这个事件是有这组中的某一个进程触发,这种情况则会导致死锁

资源死锁的条件 :发生死锁时,以下四个条件必须全部具备

  • 互斥条件:进程要求对所分配的资源进行排它性控制,即在一段时间内某资源仅为一进程所占用。

  • 保持和等待条件:当进程因请求资源而阻塞时,对已获得的资源保持不放。

  • 不可抢占条件:进程已获得的资源在未使用完之前,不能剥夺,只能在使用完时由自己释放。

  • 循环等待条件:在发生死锁时,必然存在一个进程–资源的环形链。

死锁的避免->银行家算法

当一个进程申请使用资源的时候,银行家算法通过先 试探 分配给该进程资源,然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态,若不安全则试探分配作废,让该进程继续等待。

安全序列的判断:

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死锁的解除

  • 资源剥夺法:挂起(暂时放到外存上)某些死锁的进程,并抢占他的资源,将这些资源分配给其他的死锁进程。但是应防止被挂起的进程长时间得不到资源而饥饿

  • 撤销进程法:强制撤销部分,甚至全部的死锁进程,并剥夺这些进程的资源。虽然实现简单,但是代价可能较大

  • 进程回退法:让一个或多个死锁进程回退到足以避免死锁的地步

简单来说,死锁的破坏就是对死锁产生的四个条件进行破坏,让其中任意一个不满足即可。


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