计操小记

前言：
记一下小知识点。

引用自https://www.bookstack.cn/read/Interview-Notebook/notes-%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F.md#%E6%93%8D%E4%BD%9C%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E7%89%B9%E5%BE%81

操作系统基本功能

1.进程管理

进程控制、进程同步、进程通信、死锁处理、处理机调度等。
2. 内存管理

内存分配、地址映射、内存保护与共享和内存扩充等功能。
3. 文件管理

文件存储空间的管理、目录管理及文件读写管理和保护等。
4. 设备管理

完成用户的 I/O 请求，方便用户使用各种设备，并提高设备的利用率，主要包括缓冲管理、设备分配、设备处理和虛拟设备等功能。

系统调用

如果一个进程在用户态需要使用内核态的功能，就进行系统调用从而陷入内核，由操作系统代为完成。

Linux 的系统调用主要有以下这些：

Task	Commands
进程控制	fork(); exit(); wait();
进程通信	pipe(); shmget(); mmap();
文件操作	open(); read(); write();
设备操作	ioctl(); read(); write();
信息维护	getpid(); alarm(); sleep();
安全	chmod(); umask(); chown();

中断分类

1.外中断

由 CPU 执行指令以外的事件引起，如 I/O 结束中断，表示设备输入/输出处理已经完成，处理器能够发送下一个输入/输出请求。此外还有时钟中断、控制台中断等。
2. 异常

由 CPU 执行指令的内部事件引起，如非法操作码、地址越界、算术溢出等。
3. 陷入

在用户程序中使用系统调用。

进程与线程

进程

进程是资源分配的基本单位。

进程控制块 (Process Control Block, PCB) 描述进程的基本信息和运行状态，所谓的创建进程和撤销进程，都是指对 PCB 的操作。

线程

线程是独立调度的基本单位。

一个进程中可以有多个线程，它们共享进程资源。

区别

1. 拥有资源：进程是资源分配的基本单位，但是线程不拥有资源，线程可以访问隶属进程的资源。

2. 调度：线程是独立调度的基本单位，在同一进程中，线程的切换不会引起进程切换，从一个进程内的线程切换到另一个进程中的线程时，会引起进程切换。

3. 系统开销：由于创建或撤销进程时，系统都要为之分配或回收资源，如内存空间、I/O 设备等，所付出的开销远大于创建或撤销线程时的开销。类似地，在进行进程切换时，涉及当前执行进程 CPU 环境的保存及新调度进程 CPU 环境的设置，而线程切换时只需保存和设置少量寄存器内容，开销很小。

4. 通信方面：进程间通信 (IPC) 需要进程同步和互斥手段的辅助，以保证数据的一致性。而线程间可以通过直接读/写同一进程中的数据段（如全局变量）来进行通信。

举例：QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等等，线程的并发执行使得在浏览器中点击一个新链接从而发起 HTTP 请求时，浏览器还可以响应用户的其它事件。

进程状态的切换

就绪状态（ready）：等待被调度
运行状态（running）
阻塞状态（waiting）：等待资源

应该注意以下内容：

1. 只有就绪态和运行态可以相互转换，其它的都是单向转换。就绪状态的进程通过调度算法从而获得 CPU 时间，转为运行状态；而运行状态的进程，在分配给它的 CPU 时间片用完之后就会转为就绪状态，等待下一次调度。
2. 阻塞状态是缺少需要的资源从而由运行状态转换而来，但是该资源不包括 CPU 时间，缺少 CPU 时间会从运行态转换为就绪态。

调度算法

需要针对不同环境来讨论调度算法。

批处理系统中的调度

1.先来先服务

first-come first-serverd（FCFS）

调度最先进入就绪队列的作业。

有利于长作业，但不利于短作业，因为短作业必须一直等待前面的长作业执行完毕才能执行，而长作业又需要执行很长时间，造成了短作业等待时间过长。

2.短作业优先

shortest job first（SJF）

调度估计运行时间最短的作业。

长作业有可能会饿死，处于一直等待短作业执行完毕的状态。因为如果一直有短作业到来，那么长作业永远得不到调度。

3.最短剩余时间优先

shortest remaining time next（SRTN）

交互式系统中的调度

1.优先级调度

除了可以手动赋予优先权之外，还可以把响应比作为优先权，这种调度方式叫做高响应比优先调度算法。

响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间 = 响应时间 / 要求服务时间

这种调度算法主要是为了解决短作业优先调度算法长作业可能会饿死的问题，因为随着等待时间的增长，响应比也会越来越高。
2. 时间片轮转

将所有就绪进程按 FCFS 的原则排成一个队列，每次调度时，把 CPU 时间分配给队首进程，该进程可以执行一个时间片。当时间片用完时，由计时器发出时钟中断，调度程序便停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾，同时继续把 CPU 时间分配给队首的进程。

时间片轮转算法的效率和时间片的大小有很大关系。因为进程切换都要保存进程的信息并且载入新进程的信息，如果时间片太小，会导致进程切换得太频繁，在进程切换上就会花过多时间。
3. 多级反馈队列

如果一个进程需要执行 100 个时间片，如果采用轮转调度算法，那么需要交换 100 次。多级队列是为这种需要连续执行多个时间片的进程考虑，它设置了多个队列，每个队列时间片大小都不同，例如 1,2,4,8,…。进程在第一个队列没执行完，就会被移到下一个队列。这种方式下，之前的进程只需要交换 7 次。

每个队列优先权也不同，最上面的优先权最高。因此只有上一个队列没有进程在排队，才能调度当前队列上的进程。

实时系统中的调度

实时系统要求一个服务请求在一个确定时间内得到响应。

分为硬实时和软实时，前者必须满足绝对的截止时间，后者可以容忍一定的超时。

进程同步

临界资源：多道程序系统中存在许多进程，它们共享各种资源，然而有很多资源一次只能供一个进程使用。一次仅允许一个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如输入机、打印机、磁带机等。
信号量：信号量(Semaphore)，有时被称为信号灯，是在多线程环境下使用的一种设施，是可以用来保证两个或多个关键代码段不被并发调用。在进入一个关键代码段之前，线程必须获取一个信号量；一旦该关键代码段完成了，那么该线程必须释放信号量。其它想进入该关键代码段的线程必须等待直到第一个线程释放信号量。

1.临界区

对临界资源进行访问的那段代码称为临界区。

为了互斥访问临界资源，每个进程在进入临界区之前，需要先进行检查。

// entry section
// critical section;
// exit section

2.同步与互斥

同步：多个进程按一定顺序执行；
互斥：多个进程在同一时刻只有一个进程能进入临界区。

3.信号量

信号量（Semaphore）是一个整型变量，可以对其执行 down 和 up 操作，也就是常见的 P 和 V 操作。

down : 如果信号量大于 0 ，执行 -1 操作；如果信号量等于 0，进程睡眠，等待信号量大于 0；
up ：对信号量执行 +1 操作，唤醒睡眠的进程让其完成 down 操作。

down 和 up 操作需要被设计成原语，不可分割，通常的做法是在执行这些操作的时候屏蔽中断。

如果信号量的取值只能为 0 或者 1，那么就成为了 互斥量（Mutex） ，0 表示临界区已经加锁，1 表示临界区解锁。

typedef int semaphore;
semaphore mutex = 1;
void P1() {
    down(&mutex);
    // 临界区
    up(&mutex);
}
void P2() {
    down(&mutex);
    // 临界区
    up(&mutex);
}

4.管程

使用信号量机制实现的生产者消费者问题需要客户端代码做很多控制，而管程把控制的代码独立出来，不仅不容易出错，也使得客户端代码调用更容易。

c 语言不支持管程，下面的示例代码使用了类 Pascal 语言来描述管程。示例代码的管程提供了 insert() 和 remove() 方法，客户端代码通过调用这两个方法来解决生产者-消费者问题。

   monitor ProducerConsumer
        integer i;
        condition c;
        procedure insert();
        begin
            // ...
        end;
        procedure remove();
        begin
            // ...
        end;
    end monitor;

管程有一个重要特性：在一个时刻只能有一个进程使用管程。进程在无法继续执行的时候不能一直占用管程，否者其它进程永远不能使用管程。

管程引入了 条件变量 以及相关的操作：wait() 和 signal() 来实现同步操作。对条件变量执行 wait() 操作会导致调用进程阻塞，把管程让出来给另一个进程持有。signal() 操作用于唤醒被阻塞的进程。

使用管程实现生成者-消费者问题

    // 管程
    monitor ProducerConsumer
        condition full, empty;
        integer count := 0;
        condition c;
        procedure insert(item: integer);
        begin
            if count = N then wait(full);
            insert_item(item);
            count := count + 1;
            if count = 1 then signal(empty);
        end;
        function remove: integer;
        begin
            if count = 0 then wait(empty);
            remove = remove_item;
            count := count - 1;
            if count = N -1 then signal(full);
        end;
    end monitor;
    // 生产者客户端
    procedure producer
    begin
        while true do
        begin
            item = produce_item;
            ProducerConsumer.insert(item);
        end
    end;
    // 消费者客户端
    procedure consumer
    begin
        while true do
        begin
            item = ProducerConsumer.remove;
            consume_item(item);
        end
    end;

死锁

死锁的必要条件

互斥：每个资源要么已经分配给了一个进程，要么就是可用的。
占有和等待：已经得到了某个资源的进程可以再请求新的资源。
不可抢占：已经分配给一个进程的资源不能强制性地被抢占，它只能被占有它的进程显示地释放。
环路等待：有两个或者两个以上的进程组成一条环路，该环路中的每个进程都在等待下一个进程所占有的资源。

死锁的处理方法

1. 鸵鸟策略

把头埋在沙子里，假装根本没发生问题。

因为解决死锁问题的代价很高，因此鸵鸟策略这种不采取任务措施的方案会获得更高的性能。当发生死锁时不会对用户造成多大影响，或发生死锁的概率很低，可以采用鸵鸟策略。

大多数操作系统，包括 Unix，Linux 和 Windows，处理死锁问题的办法仅仅是忽略它。

2. 死锁检测与死锁恢复

不试图阻止死锁，而是当检测到死锁发生时，采取措施进行恢复。

（一）每种类型一个资源的死锁检测

上图为资源分配图，其中方框表示资源，圆圈表示进程。资源指向进程表示该资源已经分配给该进程，进程指向资源表示进程请求获取该资源。

图 a 可以抽取出环，如图 b，它满足了环路等待条件，因此会发生死锁。

每种类型一个资源的死锁检测算法是通过检测有向图是否存在环来实现，从一个节点出发进行深度优先搜索，对访问过的节点进行标记，如果访问了已经标记的节点，就表示有向图存在环，也就是检测到死锁的发生。

（二）每种类型多个资源的死锁检测

计算机操作系统 - 图15

上图中，有三个进程四个资源，每个数据代表的含义如下：

E 向量：资源总量
A 向量：资源剩余量
C 矩阵：每个进程所拥有的资源数量，每一行都代表一个进程拥有资源的数量
R 矩阵：每个进程请求的资源数量

进程 P1 和 P2 所请求的资源都得不到满足，只有进程 P3 可以，让 P3 执行，之后释放 P3 拥有的资源，此时 A = (2 2 2 0)。P2 可以执行，执行后释放 P2 拥有的资源，A = (4 2 2 1) 。P1 也可以执行。所有进程都可以顺利执行，没有死锁。

算法总结如下：

每个进程最开始时都不被标记，执行过程有可能被标记。当算法结束时，任何没有被标记的进程都是死锁进程。

寻找一个没有标记的进程 Pi，它所请求的资源小于等于 A。
如果找到了这样一个进程，那么将 C 矩阵的第 i 行向量加到 A 中，标记该进程，并转回 1。
如果没有这样一个进程，算法终止。

（三）死锁恢复

利用抢占恢复
利用回滚恢复
通过杀死进程恢复

3. 死锁预防

在程序运行之前预防发生死锁。

（一）破坏互斥条件

例如假脱机打印机技术允许若干个进程同时输出，唯一真正请求物理打印机的进程是打印机守护进程。

（二）破坏占有和等待条件

一种实现方式是规定所有进程在开始执行前请求所需要的全部资源。

（三）破坏不可抢占条件

（四）破坏环路等待

给资源统一编号，进程只能按编号顺序来请求资源。

4. 死锁避免

在程序运行时避免发生死锁。

（一）安全状态

图 a 的第二列 Has 表示已拥有的资源数，第三列 Max 表示总共需要的资源数，Free 表示还有可以使用的资源数。从图 a 开始出发，先让 B 拥有所需的所有资源（图 b），运行结束后释放 B，此时 Free 变为 5（图 c）；接着以同样的方式运行 C 和 A，使得所有进程都能成功运行，因此可以称图 a 所示的状态时安全的。

定义：如果没有死锁发生，并且即使所有进程突然请求对资源的最大需求，也仍然存在某种调度次序能够使得每一个进程运行完毕，则称该状态是安全的。

安全状态的检测与死锁的检测类似，因为安全状态必须要求不能发生死锁。下面的银行家算法与死锁检测算法非常类似，可以结合着做参考对比。

（二）单个资源的银行家算法

一个小城镇的银行家，他向一群客户分别承诺了一定的贷款额度，算法要做的是判断对请求的满足是否会进入不安全状态，如果是，就拒绝请求；否则予以分配。

上图 c 为不安全状态，因此算法会拒绝之前的请求，从而避免进入图 c 中的状态。

（三）多个资源的银行家算法

上图中有五个进程，四个资源。左边的图表示已经分配的资源，右边的图表示还需要分配的资源。最右边的 E、P 以及 A 分别表示：总资源、已分配资源以及可用资源，注意这三个为向量，而不是具体数值，例如 A=(1020)，表示 4 个资源分别还剩下 1/0/2/0。

检查一个状态是否安全的算法如下：

查找右边的矩阵是否存在一行小于等于向量 A。如果不存在这样的行，那么系统将会发生死锁，状态是不安全的。
假若找到这样一行，将该进程标记为终止，并将其已分配资源加到 A 中。
重复以上两步，直到所有进程都标记为终止，则状态时安全的。

如果一个状态不是安全的，也需要拒绝进入这个状态。