操作系统 part1

实验好多，人好累...

一、进程和线程

references：
进程三种基本状态
进程和线程的概念、区别和联系
进程和线程的主要区别（总结）
进程间通信IPC

1、进程

进程，是资源分配和调度的基本单位，是对程序的封装（程序的一次执行），每个进程都有自己独立的地址空间，建立数据表维护代码段、堆栈段、数据段，所以创建进程开销较大。进程由程序段、数据段和PCB（进程控制块，包含pid、状态、优先级等等）组成。

1.1、进程状态：

就绪、执行、阻塞

1.2、通信方式：

1. 管道（pipe）：管道是半双工，数据只能单方向流动。管道是一个循环的内核缓冲区，管道一端进程顺序写入数据，另一端进程顺序读出。存在于内存。
   基于fork实现，故只适用于亲缘进程之间。
2. 命名管道（FIFO/named PIPE）：命名管道提供了一个路径名，名字存放于文件系统，内容存放于内存，只要能访问路径名就能建立通信，这样没有亲缘的进程也能使用管道通信。当一个进程以读的方式打开文件，一个进程以写的方式打开文件，那么就会建立管道。
   严格按照FIFO读写，写进末尾，从头读出。
   命名管道阻塞问题，不想阻塞可以试试读写模式。
3. 消息队列（message queue）：消息队列是存放在内核的消息链表，每个消息队列有一个标识符。
   消息队列存放在内核，独立于收发进程（所以进程结束了但是操作系统没重启，消息队列就还存在）。
   可以按照一定规则向消息队列写入信息，而管道只能写入无格式字节流
   消息能随机查询，不一定FIFO，可按消息类型读取。
4. 信号（signal）：信号是一种比较复杂的通信方式，用来通知接受进程某个事件已经发生（阻塞时等到激活再传递，未执行就保存到内核等到执行时传递）。
   用于通知进程某个事件已经发生。
5. 信号量（semaphore）：是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问，可以控制数量。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。控制多
   基于PV操作。
6. 共享内存（share memory）：多个进程可以直接读写同一块内存空间，需要依靠某种同步机制（信号量、互斥锁）来达到同步与互斥。
7. 套接字（socket）：可用于不同主机间通信。

1.3、进程的同步

1. 临界区：临界区是指访问公用资源的程序片段（临界资源就是独占性的共享资源），它使得同一时间只能有一个线程进入临界区。当有线程进入临界区后，其他线程想访问就必须等待。
2. 信号量：允许同一时间多个线程访问贡献资源，但是要控制最大线程数量。
3. 互斥量：每个线程想要访问贡献资源，就要先加互斥锁，加了锁才能访问，操作结束后解锁。如果已经被加锁了，那么线程阻塞，等到解锁的时候会把阻塞的线程唤醒。
4. 信号：通过通知保持多线程同步。

1.4、进程调度策略

1. FCFS（先来先服务）：队列实现，非抢占，先请求CPU的先分配。
2. SJF（短作业优先）：预估运行时间短的优先，需要知道预估的运行时间。
3. 优先级调度算法：分为抢占式（运行时就绪队列出现优先级更高的就立即停止，把处理机分配给更高的）和非抢占式（一旦分配处理机就要执行完）。优先级高的先分配CPU。但是这个算法容易出现无穷阻塞或饥饿，即低优先级的进程可能一直阻塞（因为是静态优先级）。解决方法是老化，等待时间越长优先级变得越高（动态优先级）。
4. 时间片轮转调度算法（RR）：每个进程轮流获得一个时间片，允许进程执行一个时间片的时间。时间片设的过短，那么就在进程切换浪费了很多时间，效率低；时间片过长对短交互的响应过长。
5. 多级反馈队列调度算法：设置多个就绪队列，并设置不同优先级，第1级优先级最高，优先级逐级递减。赋予每个就绪队列的时间片大小也不一样，优先级越高，时间片越小。每个进程进入内存后，先放到第1级队列，然后按照FCFS进行分配。如果第1级分配的时间片用完后还没执行完，就放到第2级，如此往下。并且，只有优先级高的就绪队列为空，才能分配时间片给优先级低的队列里的进程。并且是抢占式的，即出现更高优先级的就停下，分配给更高的。对于短作业能迅速完成，对于长作业能得到部分执行。

2、线程

线程，是进程的实际运作单位，是最小的执行和调度单位。线程的粒度比进程小。多个线程共享进程内的资源，使用同一地址空间，故创建线程开销小。
线程状态：就绪、执行、阻塞。

2.1、通信方式：

1. 互斥锁：以排他方式防止数据结构被并发修改的方法。
2. 读写锁：允许多个线程同时共享数据，而对写操作是互斥的。
3. 信号量：和进程类似。
4. 信号：和进程类似。

2.2、线程的同步

1. 临界区：临界区是指访问公用资源的程序片段（临界资源就是独占性的共享资源），它使得同一时间只能有一个线程进入临界区。当有线程进入临界区后，其他线程想访问就必须等待。
2. 信号量：允许同一时间多个线程访问贡献资源，但是要控制最大线程数量。
3. 互斥量：每个线程想要访问贡献资源，就要先加互斥锁，加了锁才能访问，操作结束后解锁。如果已经被加锁了，那么线程阻塞，等到解锁的时候会把阻塞的线程唤醒。
4. 信号：通过通知保持多线程同步。

3.进程和线程

3.1、区别：

1. 进程是资源分配基本单位，线程是任务调度执行的基本单位。
2. 进程拥有自己独立的地址空间，线程是共享。
3. 进程创建撤销操作系统都要分配或回收资源（内存空间、IO设备等），开销大；线程只有少量寄存器和堆栈，开销较小。
4. 进程实现了操作系统的并发，线程实现了进程内部的并发。

二、虚拟内存技术

references：
操作系统 虚拟内存技术
3.2、虚拟内存管理

1、概念

在程序装入时，将需要执行的部分装入内存，其余放在外存就可以启动程序执行。执行过程中，如果访问的信息不在内存中，就将需要的部分调入内存。另一方面，操作系统可以将暂时不用的部分调到外存。
虚拟内存的实现有以下三种方式：

• 请求分页存储管理
• 请求分段存储管理
• 请求段页式存储管理

需要的硬件支持有：

• 一定容量内存外存
• 页表机制或者段表机制，作为主要数据结构
• 中断机制
• 地址变换机制，实现逻辑变换到物理地址的变换

2、请求分页、请求分段、请求段页式存储管理

2.1、 请求分页存储管理

页表字段：
页号、内存块号（该页面所放的内存块号）、页内地址（偏移量）、修改位（是否修改）、外存地址（此页在外存地址的位置）、状态位（该页是否调入内存）、访问字段（最近访问次数或最近访问时间）

当所要访问的页面不存在时，产生一个缺页中断，将所缺的页调入内存。
缺页中断步骤：缺页进程阻塞；如果内存中有空闲块，将页面调入该块，修改页表，如果没有，调用页面置换算法淘汰一个页面（修改过需写回外存）；调页完成后将其唤醒，放回就绪队列。

地址变换：
物理地址 = 主存块号 * 块长 + 页内地址

2.2、请求分段存储管理

references：基本分段存储管理方式

段表机制和页表机制不同在于，页表分配的内存块都是固定大小的，段表分配的段大小都是不固定长的。

段表字段：
段号、段长、段基址（是啥）、段内地址

当所要访问的段不存在时，产生一个缺段中断，将所缺的段调入内存。

地址变换：
物理地址=段基址+段内地址

分段的共享：
每个表项都是共享段的信息，有个共享进程计算器。

分段保护：
地址越界保护：段号超过段表长度、偏移量大于段长，中断处理
访问控制保护：控制段的访问方式（访问字段）
环保护机构

2.3、请求段页式存储管理

先查询段表，再查询页表。
自己看吧

2.4、分段和分页的区别

1. 目的：分页存储是由于系统管理的需要；分段是为了用户的需要
2. 大小：页的大小固定，段的大小不固定；
3. 地址：页的地址是一维的（通过一个虚地址就能直接计算出物理地址），段的地址是二维的（拿到一个虚地址，得到段号和段内地址，然后才能知道物理地址）；
4. 内存碎片：页没有外部碎片（大小固定）但有内部碎片（填不满）；段没有内部碎片（大小可变）但有外部碎片（置换的时候）

3、页面置换算法

1. 最佳置换算法：需要知道哪些页面会用到以及使用的时间。算法会先换出不会用到的页面，如果都会用到那就换出最晚用到的页面。（这个算法几乎是不可能实现的）
2. 先进先出算法（FIFO）：在内存中待的时间最长的页置换出。运行速度快（队列实现），开销少，但容易将重要的页面换出。
3. 最近最少使用法（LRU）：选择最长时间没访问的页面置换出，通过访问字段实现。需要寄存器（原理，寄存器表示的值越小的越久没使用）和栈的支持（每次将最新的拿出来放在栈顶）。
4. CLOCK算法/最近未用算法（NRU）：
   将所有页面分为以下四类：

• 最近未访问，未修改（u = 0,m = 0）
• 最近被访问，未修改（u = 1,m = 0）
• 最近未访问，被修改（u = 0,m = 1）
• 最近被访问，被修改（u = 1,m = 1）

5. 最不经常使用算法（LFU）：根据使用次数来判断。

扫描帧缓冲区，选择（u = 0,m = 0）的第一个进行置换；不存在就选择（u = 1,m = 0）第一个进行替换，此时，将扫描过的帧的u置为0；如果还没找到，那么刚才那步已经将所有u置为0了，那么再重复刚才两步肯定能找到一个可以置换的。
CLOCK算法性能接近LRU，效率也相对较高。

4、页面分配、置换策略

references：
页面分配策略
驻留集：给进程分配的物理内存块的集合
固定分配：驻留集不变，分多少是多少
可变分配：先分配一定数量内存块，运行期间，驻留集可变
局部置换：缺页时只能置换进程自己的内存块
全局置换：可将操作系统保留的空闲块分配给缺页的进程，也可以将别的进程的内存块置换到外存，再分配给缺页的进程。

4.1、页面分配置换策略

1. 固定分配局部置换：为每个进程分配一定数量的物理块，发生缺页只能从进程自己的内存块置换。
2. 可变分配全局置换：OS为进程分配一定量的物理块，自身也保持一个空闲物理块队列，如果进程发生缺页，则将空闲物理块队列中取出一个空闲物理块分配给进程，将缺的页装入其中。如果队列空了，就找未锁定的页面换出到外存，再分配给缺页进程。（只要缺页就给分配新的物理块）
3. 可变分配局部置换：为每个进程分配一定数量的物理块，发生缺页只能从进程自己的内存块置换。如果频繁缺页，分配新的物理块；如果缺页率很低，就减少进程持有的物理块。

4.2、调入的时机

1. 预调页策略：一次调入若干个相邻的页面。但成功率低，通常用于进程首次调入。
2. 请求调页策略：缺页时调入。IO开销大。

4.3、调入的空间

请求分页系统中的外存分为两部分：用于存放文件的文件区和用于存放对换页面的对换区。
对换区通常连续分配空间，文件区离散存放，故通常对换区IO速度更快。

1. 对换区空间足够：将文件调入对换区，从对换区调入页面。
2. 对换区空间不足：不会被修改的文件直接从文件区调入，换出时因为没被修改就不用写入；对于被修改的，将他们换出到对换区，以后从对换区调入。

5、优缺点

优点：

1. 理论上扩大了内存，弥补了物理内存不足的缺点
2. 有内存保护机制，用户进程不被允许读写内核代码和数据结构，不被允许读写其他进程的私有内存等等
3. 需要分配连续空间时，可在虚拟地址空间分配连续空间，实际物理内存使用离散分配

缺点：

1. 需要建立很多其他数据结构占据内存
2. 地址转换需要耗时
3. 页面置换使用的是磁盘IO，很耗时
4. 分页存储时，可能会产生内部碎片

6、颠簸

本质上是指频繁的页调度行为，置换了一个页又马上又调了进来，因此不断产生缺页中断，导致整个系统效率下降。
解决：

1. 如果是因为页面置换算法的失误，调换算法
2. 如果是因为运行的程序太多，则降低数量
3. 增加物理内存