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进程的操作与管理（PV方法/死锁/存储方法）
2023-03-27 15:58:46 26阅读
0.操作系统——进程的操控者
操作系统本质上是人机之间交互的接口，人通过操作系统（比如命令行、窗口、菜单）去操控计算机硬件；同时也是应用软件与硬件之间的接口（换而言之可以控制程序的运行）
操作系统的五大作用：进程管理、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理
上图就是典型的计算机结构：硬件层——>操作系统——>其他系统软件——>应用软件
1.进程与线程的基本概念
进程，是程序在一个数据集合上运行的具体过程，是一个动态的概念，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序的一次执行过程（创建就产生，撤销就消亡）
进程有两个基本属性：
1.可拥有资源的独立单位
2.可独立调度和分配资源的基本单位
由程序块（进程执行的程序）、进程控制块（PCB，进程执行的相关记录）和数据块（执行所需要的数据）组成
要特别注意PCB：是进程存在的唯一标志，包括进程的标识符、状态、位置信息、控制信息、队列指针（用来链接同一状态的进程）、优先级、现场保护区等
PCB的组织方式有多种，如下图为索引方式，即我们建立了一个索引表来查找对应的PCB
如果是顺序方式，逻辑顺序和物理顺序是一致的，即逻辑上相邻物理位置上也相邻，换而言之我们不需要索引表，指针和PCB直接对应，逐个往下查就可以了
如果是链接方式，类似于链表，前面的节点有一个线索指向后面一个节点（索引方式是单独记录的，不一定是指向下一个），即我们不需要索引表，只要在PCB中设置好下一个PCB是谁就可以了
还有不常用的hash方式，根据hash函数计算存在哪里
程序，是一个静态的概念，操作系统用不用，程序都客观存在
线程：是进程内部的子单位（比如支持多线程的操作系统中，一个进程可创建多个线程），可以被独立调度，但不能分配资源；它的资源也不是独立被分配的，可能会与其他线程共享（但程序计数器、寄存器、栈空间不可共享）
2.进程的状态
动态的进程有不同的状态变迁，模型有很多种，我们来看三态模型和五态模型
三态模型：
是进程状态的基础，将整个进程运行状态分为：运行、阻塞、就绪
该模型会把cpu（核心资源）和非cpu资源做分类，根据资源占据的情况来划分进程的状态，举例：
- 运行态：cpu资源就绪，非cpu资源也就绪了，进程就会被cpu调度从而进入运行态；一个进程不会长时间占用cpu资源，cpu资源会被划分为多个时间片，某一个进程自己的时间片用完了还未分到新的资源，就会进入就绪态去排队等待下一个时间片的到来
- 就绪态：cpu资源就绪，非cpu资源未就绪，等待非核心资源的分配
- 阻塞态：两个资源都不足，等待资源
如果考虑挂起，就会有五态模型：
内存资源不足的时候，将某个进程挂起从内存移动到磁盘里变为静止xx的状态，后面我们再运行
4.信号量与PV操作
由于在一个计算机中进程有很多很多，因此进程与进程之间就会有不同的关系，主要是互斥与同步
- 互斥：进程之间相互抵制，有些临界资源同一时间只能让少数进程来用，但是需要用它的进程很多，就会出现互斥现象。这种情况又叫做间接制约关系
- 同步：进程之间的依赖关系，进程A可能会依赖于进程B的一些结果，但他们运行的速度有差异，所以就会出现进程A等待进程B或者进程B等待进程A的情况。这种情况叫直接制约关系
一些背景知识：
- 临界资源：进程需要以互斥方式对其进行共享操作的资源，类似于缓存区，一次只能有一个进程使用
- 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
- 信号量(S)：特殊的变量，一种全局变量，可以拿来记录相应的资源数量
- P操作：信号量减1（可以理解为占据/锁定/申请1个资源），如果信号量小于0就说明没有资源了，就把当前进程放入阻塞队列去等资源（S负的越多，等待资源的进程越多）；如果没小于0就继续
- V操作：信号量加1（可以理解为释放资源的过程），如果信号量小于等于0，说明现在的阻塞队列里是有进程在排队的，就需要去通知下他们有资源可以用了，就会进入就绪状态；如果没有小于等于0就继续
5.前驱图与PV操作
前趋图包含了节点和键线，分别代表进程、进程与进程间的依赖关系，体现的是进程之间的直接制约关系（间接制约是资源制约）
如下图，表示了A进程是B进程的前驱，B进程是A进程的后继（后继活动开始前前驱必须要完成，用（A,B）表示）
用PV理解前趋图，有如下前趋图：
在D进程开始之前，需要检查ABC是不是完成了，用P操作来看，就是D去请求一个资源，用V操作来看，就是ABC去释放一个资源，且三个信号量的初始值都是0；可以看出，前趋图中的箭头流入就是一个P操作，流出就是一个V操作，每一个键线代表一个信号量
表示为：{ (A,D), (B,D), (C,D), (D,E) }
6.死锁
由于进程管理是操作系统的核心，如果设计不当就可能会出现死锁问题——即一个进程在等待一个永远不可能发生的事情，比如一个永远给不了它的资源
死锁要同时满足的四大条件才能成立：
- 互斥：某个资源为临界资源，其他进程拿不到，就会死锁
- 环路等待：比如A等B的cpu资源，B等A的内存资源，他们互相等待都不执行，就会死锁
- 不剥夺：进程不会剥夺其他进程正在用的资源，如果自己需要的资源其他进程在用，就会死锁
- 保持和等待：进程会保持当前的资源，会等待其他进程释放资源，如果他等不到就会死锁
打破死锁：
- 有序资源分配法：先给A分配组，再给B分配，不存在用了对方资源的情况
- 银行家算法
7.页式存储
操作系统有的时候会将外存中的一些文件调用到内存中给cpu使用，如果这个文件非常的大，即使一次只需要调用一点点，也很难遇到内存中有这么多连续的空间给你放置；所以我们需要把完整的内容切割之后才存储
最常用的就是分页存储（页式存储），把我们需要存的程序和与之对应的内存划分成相同大小的区域，分别称为页和块，以页为单位存入内存空间，对应页存的内存称为块
如下图，用户的文件被分为n页，并生成一个页表来记录页与块的映射（或：页号 与 块号/页帧号 的映射），其本质是逻辑地址和物理地址的映射
逻辑地址和物理地址的页内地址都是一样的（即低位是一样的），就好比一本书，你把它拆散了重新订起来，需要重新编页，但是每一页的内容是不变的，原来的页码和重新编写的页码就好比页号和页帧号的对应关系，业内地址就好比你在这本书的哪个位置可以找到某个字，后者是不变的（比如8KB的页大小，就需要13位的页内地址来表示，即2^13）
页式存储的优缺点：
- 优点：利用率高，碎片小，分配与管理简单
- 缺点：因为比较零碎，可能需要多次查询，增加了系统开销；可能产生抖动现象（如果分配给进程的存储块数量小于进程所需要的最小值，进程的运行将很频繁地产生缺页中断，这种频率非常高的页面置换现象称为抖动）
页表的其他属性：
访问位会定时被清理，时间是人为约定的
8.段式存储
分页存储的最大确定就是可能会把一串逻辑的代码切分到不同的页，因此就有了段式存储
段式存储：按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后存入内存，段的长度可以不一样；
如下图，用户的作业被分为多个段，并生成一个段表来记录每一个段的 段号 与其 段长 与 基址 的映射。
与分页类似，我们也有：逻辑段地址 = 段号对应的基址 + 端内偏移量（必须>=段长）
比如上图上段号为2的逻辑地址，可以表示为 （2, 135K）、（2, 140K），只要偏移量大于段长即可，如果小于的话，逻辑地址到物理地址转换的时候地址会越界
段式存储的优缺点：
- 优点：多道程序共享内存（比如一个很常用的函数），各段程序修改互不影响
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大
9.段页式存储
即以上两种存储方法的结合，是段式和页式的综合体——先分段（大小不同），再分页（大小相同）
找到程序的过程，大概可以概括为：先查段表、再查页表，它的逻辑地址即为：段号 + 页号 + 页内地址， 的形式
段页式存储的优缺点：
- 优点：空间浪费小，存储共享容易、存储保护容易、能动态连接
- 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行的速度大大下降
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进程的操作与管理（PV方法/死锁/存储方法）
2023-03-27 15:58:46 26阅读
0.操作系统——进程的操控者
操作系统本质上是人机之间交互的接口，人通过操作系统（比如命令行、窗口、菜单）去操控计算机硬件；同时也是应用软件与硬件之间的接口（换而言之可以控制程序的运行）
操作系统的五大作用：进程管理、存储管理、文件管理、作业管理、设备管理
上图就是典型的计算机结构：硬件层——>操作系统——>其他系统软件——>应用软件
1.进程与线程的基本概念
进程，是程序在一个数据集合上运行的具体过程，是一个动态的概念，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序的一次执行过程（创建就产生，撤销就消亡）
进程有两个基本属性：
1.可拥有资源的独立单位
2.可独立调度和分配资源的基本单位
由程序块（进程执行的程序）、进程控制块（PCB，进程执行的相关记录）和数据块（执行所需要的数据）组成
要特别注意PCB：是进程存在的唯一标志，包括进程的标识符、状态、位置信息、控制信息、队列指针（用来链接同一状态的进程）、优先级、现场保护区等
PCB的组织方式有多种，如下图为索引方式，即我们建立了一个索引表来查找对应的PCB
如果是顺序方式，逻辑顺序和物理顺序是一致的，即逻辑上相邻物理位置上也相邻，换而言之我们不需要索引表，指针和PCB直接对应，逐个往下查就可以了
如果是链接方式，类似于链表，前面的节点有一个线索指向后面一个节点（索引方式是单独记录的，不一定是指向下一个），即我们不需要索引表，只要在PCB中设置好下一个PCB是谁就可以了
还有不常用的hash方式，根据hash函数计算存在哪里
程序，是一个静态的概念，操作系统用不用，程序都客观存在
线程：是进程内部的子单位（比如支持多线程的操作系统中，一个进程可创建多个线程），可以被独立调度，但不能分配资源；它的资源也不是独立被分配的，可能会与其他线程共享（但程序计数器、寄存器、栈空间不可共享）
2.进程的状态
动态的进程有不同的状态变迁，模型有很多种，我们来看三态模型和五态模型
三态模型：
是进程状态的基础，将整个进程运行状态分为：运行、阻塞、就绪
该模型会把cpu（核心资源）和非cpu资源做分类，根据资源占据的情况来划分进程的状态，举例：
- 运行态：cpu资源就绪，非cpu资源也就绪了，进程就会被cpu调度从而进入运行态；一个进程不会长时间占用cpu资源，cpu资源会被划分为多个时间片，某一个进程自己的时间片用完了还未分到新的资源，就会进入就绪态去排队等待下一个时间片的到来
- 就绪态：cpu资源就绪，非cpu资源未就绪，等待非核心资源的分配
- 阻塞态：两个资源都不足，等待资源
如果考虑挂起，就会有五态模型：
内存资源不足的时候，将某个进程挂起从内存移动到磁盘里变为静止xx的状态，后面我们再运行
4.信号量与PV操作
由于在一个计算机中进程有很多很多，因此进程与进程之间就会有不同的关系，主要是互斥与同步
- 互斥：进程之间相互抵制，有些临界资源同一时间只能让少数进程来用，但是需要用它的进程很多，就会出现互斥现象。这种情况又叫做间接制约关系
- 同步：进程之间的依赖关系，进程A可能会依赖于进程B的一些结果，但他们运行的速度有差异，所以就会出现进程A等待进程B或者进程B等待进程A的情况。这种情况叫直接制约关系
一些背景知识：
- 临界资源：进程需要以互斥方式对其进行共享操作的资源，类似于缓存区，一次只能有一个进程使用
- 临界区：每个进程中访问临界资源的那段代码
- 信号量(S)：特殊的变量，一种全局变量，可以拿来记录相应的资源数量
- P操作：信号量减1（可以理解为占据/锁定/申请1个资源），如果信号量小于0就说明没有资源了，就把当前进程放入阻塞队列去等资源（S负的越多，等待资源的进程越多）；如果没小于0就继续
- V操作：信号量加1（可以理解为释放资源的过程），如果信号量小于等于0，说明现在的阻塞队列里是有进程在排队的，就需要去通知下他们有资源可以用了，就会进入就绪状态；如果没有小于等于0就继续
5.前驱图与PV操作
前趋图包含了节点和键线，分别代表进程、进程与进程间的依赖关系，体现的是进程之间的直接制约关系（间接制约是资源制约）
如下图，表示了A进程是B进程的前驱，B进程是A进程的后继（后继活动开始前前驱必须要完成，用（A,B）表示）
用PV理解前趋图，有如下前趋图：
在D进程开始之前，需要检查ABC是不是完成了，用P操作来看，就是D去请求一个资源，用V操作来看，就是ABC去释放一个资源，且三个信号量的初始值都是0；可以看出，前趋图中的箭头流入就是一个P操作，流出就是一个V操作，每一个键线代表一个信号量
表示为：{ (A,D), (B,D), (C,D), (D,E) }
6.死锁
由于进程管理是操作系统的核心，如果设计不当就可能会出现死锁问题——即一个进程在等待一个永远不可能发生的事情，比如一个永远给不了它的资源
死锁要同时满足的四大条件才能成立：
- 互斥：某个资源为临界资源，其他进程拿不到，就会死锁
- 环路等待：比如A等B的cpu资源，B等A的内存资源，他们互相等待都不执行，就会死锁
- 不剥夺：进程不会剥夺其他进程正在用的资源，如果自己需要的资源其他进程在用，就会死锁
- 保持和等待：进程会保持当前的资源，会等待其他进程释放资源，如果他等不到就会死锁
打破死锁：
- 有序资源分配法：先给A分配组，再给B分配，不存在用了对方资源的情况
- 银行家算法
7.页式存储
操作系统有的时候会将外存中的一些文件调用到内存中给cpu使用，如果这个文件非常的大，即使一次只需要调用一点点，也很难遇到内存中有这么多连续的空间给你放置；所以我们需要把完整的内容切割之后才存储
最常用的就是分页存储（页式存储），把我们需要存的程序和与之对应的内存划分成相同大小的区域，分别称为页和块，以页为单位存入内存空间，对应页存的内存称为块
如下图，用户的文件被分为n页，并生成一个页表来记录页与块的映射（或：页号 与 块号/页帧号 的映射），其本质是逻辑地址和物理地址的映射
逻辑地址和物理地址的页内地址都是一样的（即低位是一样的），就好比一本书，你把它拆散了重新订起来，需要重新编页，但是每一页的内容是不变的，原来的页码和重新编写的页码就好比页号和页帧号的对应关系，业内地址就好比你在这本书的哪个位置可以找到某个字，后者是不变的（比如8KB的页大小，就需要13位的页内地址来表示，即2^13）
页式存储的优缺点：
- 优点：利用率高，碎片小，分配与管理简单
- 缺点：因为比较零碎，可能需要多次查询，增加了系统开销；可能产生抖动现象（如果分配给进程的存储块数量小于进程所需要的最小值，进程的运行将很频繁地产生缺页中断，这种频率非常高的页面置换现象称为抖动）
页表的其他属性：
访问位会定时被清理，时间是人为约定的
8.段式存储
分页存储的最大确定就是可能会把一串逻辑的代码切分到不同的页，因此就有了段式存储
段式存储：按用户作业中的自然段来划分逻辑空间，然后存入内存，段的长度可以不一样；
如下图，用户的作业被分为多个段，并生成一个段表来记录每一个段的 段号 与其 段长 与 基址 的映射。
与分页类似，我们也有：逻辑段地址 = 段号对应的基址 + 端内偏移量（必须>=段长）
比如上图上段号为2的逻辑地址，可以表示为 （2, 135K）、（2, 140K），只要偏移量大于段长即可，如果小于的话，逻辑地址到物理地址转换的时候地址会越界
段式存储的优缺点：
- 优点：多道程序共享内存（比如一个很常用的函数），各段程序修改互不影响
- 缺点：内存利用率低，内存碎片浪费大
9.段页式存储
即以上两种存储方法的结合，是段式和页式的综合体——先分段（大小不同），再分页（大小相同）
找到程序的过程，大概可以概括为：先查段表、再查页表，它的逻辑地址即为：段号 + 页号 + 页内地址， 的形式
段页式存储的优缺点：
- 优点：空间浪费小，存储共享容易、存储保护容易、能动态连接
- 缺点：由于管理软件的增加，复杂性和开销也随之增加，需要的硬件以及占用的内容也有所增加，使得执行的速度大大下降
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