Operating System Point

一、引论

什么是操作系统？

操作系统(Operating System, OS)是直接配置在计算机硬件上的最基本的系统软件，负责管理计算机的软硬件资源，实现对计算机资源的抽象，为用户提供方便易用的接口。

操作系统四个目标：

有效性、方便性、可扩充性、开放性

操作系统三大作用：

OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

OS作为计算机系统资源的管理者

OS实现了对计算机资源的抽象

历史上的三种基本类型的操作系统：多道批处理系统、分时系统、实时系统。

实时系统|分时系统的比较

<1>及时性：实时信息处理系统对实时性的要求与分时系统类似，都是以人能接收的等待时间来确定，而实时控制系统的及时性，则是与控制对象所要求的开始截止时间或者完成截至时间来确定的，一般为秒级到毫秒级。

<2>交互性：实时信息处理系统虽然也具有交互性，但这里人与系统的交互仅限于访问系统中某些特定的专用服务程序，它不像分时系统那样能向终端用户提供数据处理和资源的共享。

<3>可靠性：分时系统虽然也要求可靠，相比之下，实时系统则要求系统具有高度的可靠性，因为任何差错都可能带来巨大的经济损失，甚至是无法预料的灾难。往采取了多级容错措施来保障系统的安全性及数据的安全性。

操作系统的四大基本特征 ： 并发 共享 虚拟 异步

其中并发和共享是最基本的特征，又是互为存在的条件。

并发性是最重要的特征。

二、进程

为什么要引入进程？

为了使程序能可靠的并发，于是把程序包装成进程，程序以进程实体的方式驻留在内存，轮流占用CPU执行。

进程的特征：结构特征(进程实体)、动态性(生命周期)、并发性、异步性、独立性。

进程的三种基本状态及其转换关系



进程控制块(PCB)是进程存在的唯一标志。为什么呢？

<1>:为了描述和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构–进程控制块PCB(Process Control Block),它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。

<2>:PCB中记录了操作系统所需的、用于描述进程当前情况以及控制进程运行的全部信息。进程控制块的作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能与其他程序并发执行的进程。也就是OS根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。

<3>:在调度某些进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据PCB中的程序和数据内存始址，找到其程序和数据，进程在执行过程中，当需要与之合作的进程是实现同步、通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；当进程由于某种原因而暂停执行时，又需要将其断点的处理机环境保存在PCB中

<4>:所以在进程的整个生命周期中，系统总是通过PCB对进程进行控制，所以，系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在，所以PCB是进程存在的唯一标志。

进程同步：诸进程在并发执行时存在直接和间接两种相互制约关系。

临界资源与临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。

同步机制四准则：空闲让进，忙则等待，有限等待，让权等待。

进程同步 – 信号量(Semaphore)机制

整型信号量与记录型信号量从用户角度来看是一样的，均包含两个原子操作wait(S)和signal(S)，或称PV原语。wait操作申请一个单位资源，将S值减少1；signal操作释放一个单位资源，将S值增加1。

整型信号量因未遵循让权等待准则而被记录型信号量取代。

互斥信号量的初值是1。资源信号量的当前值代表该类临界资源的可用数量，注意：若资源信号量的当前值是负数，则该资源当前可用数量为0，且其绝对值代表正在排队阻塞等待该资源的进程数量。例如与打印机相关的信号量S=-3，则打印机当前可用数量为0台，且有3个进程正在排队阻塞等待该打印机。

信号量可用于实现进程间互斥及同步。

进程间通信(IPC)

信号量机制是卓有成效的同步工具，但不是卓有成效的进程间通信工具。于是我们介绍了三种高级进程间通信机制：管道、共享存储区、消息队列。

线程为什么要引入线程？比较线程与进程？

在操作系统中引入进程的目的，是为了使多个程序能并发执行，以提高资源的利用率和系统的吞吐量，那么在操作系统中在引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销。使OS具有更好的并发性。

线程具有许多传统进程所具有的特征，所以又称为轻型进程或进程元，相应的把传统进程称为重型进程

<1>调度：在传统的操作系统中，作为拥有资源的基本单位和独立调度，分派的基本单位都是进程，而在引入进程的操作系统中，则把线程作为调度和分派的基本单位，而进程作为资源拥有的基本单位，这样线程便能轻装上阵，显著提高系统的并发性。同一进程中，线程的切换不会引起进程的切换，但是一个进程中的线程到另一个进程中的线程时， 将会引起进程的切换。

<2>并发性：在引入线程的操作系统中，不仅进程之间可以并发执行，而且在一个进程中的多个线程之间亦可并发执行，使操作系统具有更好的并发性，从而能够有效提高系统资源的利用率和吞吐量。

<3>拥有资源：不论是传统操作系统，还是引入线程的，进程都可以拥有资源，是系统中拥有资源的一个基本单位，线程自己不拥有资源（也有一点必不可少的资源），但它可以访问其隶属进程的资源，即一个进程的代码段，数据段以及拥有的系统资源。可以供该进程中的所有线程所共享。

<4>系统开销：在创建或者撤销进程时， 系统都要有之创建和回收进程控制块，分配或回收资源，如内存控件和I/O设备，操作系统所付出开销明显大于线程创建或撤销的时的开销，线程切换则仅需要保存和设置绍亮的寄存器内容。由于一个进程中的多个线程具有相同的地址空间，在同步和通信的实现方面线程也比较容易，在一些操作系统中，线程的切换、同步和通信都无须操作系统内核的干预。

三、调度与死锁

高级调度(作业调度)是从外存的后备队列中选择某个或某些作业优先调入内存。

低级调度(进程调度)是从内存的就绪队列中选择某个进程使它优先获得CPU进入执行态。

进程调度有抢占式、非抢占式两种方式。抢占调度方式主要基于优先权原则、短进程优先原则或时间片原则

先来先服务调度算法:先来先服务(First Come First Served, FCFS)调度算法是一种最简单的调度算法，既可以用于作业调度，也可以用于进程调度。有利于长作业（进程），不利于短作业（进程）；有利于CPU繁忙型的作业，不利于I/O繁忙型的作业。

短作业(进程)优先调度算法：短作业优先(Shortest Job First, SJF)调度算法是从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，将它们调入内存运行。类似的，短进程优先(SPF)算法从就绪队列中选出一个估计运行时间最短的进程，将处理机分配给它，直到其执行至完成或阻塞时再重新调度。

短作业(进程)优先调度算法优点：相比于先来先服务调度算法，可改善平均周转时间及平均带权周转时间，尤其是对短作业，会有明显改善。从而有效降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。

缺点：1）对长作业不利，会导致长作业(进程)长期不被调度(Starvation)；2）完全未考虑作业的紧迫程度；3）作业(进程)的长短是预估的，不一定准确。

产生死锁的原因可归结为竞争资源、进程间推进顺序不当。

产生死锁的四大必要条件，其中的互斥条件不仅不能摒弃，还必须保证

1：互斥条件（访问临界资源）

2：请求和保持条件。进程已保持了至少一个资源，又因提出新的资源请求而阻塞，阻塞期间对自己已获得的资源保持不放。

3：不剥夺条件

4：环路等待条件。发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环链，即进程集合{P0,P1,…,Pn}，P0正在等待P1占用的资源，P1正在等待P2占用的资源，…… ，Pn正在等待P0占用的资源。

处理死锁的四种方法：预防死锁（摒弃哪几个必要条件？），避免死锁，检测死锁，解除死锁（剥夺资源、撤销进程）。

预防死锁（摒弃哪几个必要条件？）

摒弃“请求与保持”条件

摒弃“不剥夺”条件

摒弃“环路等待”条件

避免死锁( 系统的安全状态与不安全状态)

安全状态，是指系统能按某种进程顺序，即安全序列〈P1，P2，… ，Pn〉，来为每个进程Pi分配所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利地完成。如果系统无法找到这样一个安全序列，则称系统处于不安全状态。

当系统进入不安全状态后，便有可能进而进入死锁状态。避免死锁的实质在于：系统在进行资源分配时，如何避免系统进入不安全状态。

未完待续。。。