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  • 操作系统

    操作系统是一种系统软件,但与其他的系统软件和应用软件有很大的不同,它有自己的特殊性即基本特征。操作系统的基本特征包括并发、共享、虚拟和异步。
    

    并发(Concurrence)

    并发是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。操作系统的并发性是指计算机系统中同时存在多个运行着的程序,因此它具有处理和调度多个程序同时执行的能力。在操作系统 中,引入进程的目的是使程序能并发执行。
    注意同一时间间隔(并发)和同一时刻(并行)的区别。在多道程序环境下,一段时间内,宏观上有多道程序在同时执行,而在每一时刻,单处理机环境下实际仅能有一道程序执行,故微观上这些程序还是在分时地交替执行。橾作系统的并发性是通过分时得以实现的。
    注意,并行性是指系统具有可以同时进行运算或操作的特性,在同一时刻完成两种或两种以上的工作。并行性需要有相关硬件的支持,如多流水线或多处理机硬件环境。

    共享(Sharing)

    (待整理)

    进程的状态

    进程在其生命周期内,由于系统中各进程之间的相互制约关系及系统的运行环境的变化,使得进程的状态也在不断地发生变化(一个进程会经历若干种不同状态)。通常进程有以下五种状态,前三种是进程的基本状态。

    1) 运行状态:进程正在处理机上运行。在单处理机环境下,每一时刻最多只有一个进程处于运行状态。

    2) 就绪状态:进程已处于准备运行的状态,即进程获得了除处理机之外的一切所需资源,一旦得到处理机即可运行。

    3) 阻塞状态,又称等待状态:进程正在等待某一事件而暂停运行,如等待某资源为可用(不包括处理机)或等待输入/输出完成。即使处理机空闲,该进程也不能运行。

    4) 创建状态:进程正在被创建,尚未转到就绪状态。创建进程通常需要多个步骤:首先申请一个空白的PCB,并向PCB中填写一些控制和管理进程的信息;然后由系统为该进程分配运行时所必需的资源;最后把该进程转入到就绪状态。

    5) 结束状态:进程正从系统中消失,这可能是进程正常结束或其他原因中断退出运行。当进程需要结束运行时,系统首先必须置该进程为结束状态,然后再进一步处理资源释放和回收等工作。

    进程的通信(另一文章已写)

    进程通信是指进程之间的信息交换。PV操作是低级通信方式,髙级通信方式是指以较高的效率传输大量数据的通信方式。高级通信方法主要有以下三个类。
    *低级通信:PV操作
    高级通信:共享存储、消息传递、管道通信*

    PV操作

    PV操作由P操作原语和V操作原语组成(原语是不可中断的过程),对信号量进行操作,具体定义如下:
    P(S):①将信号量S的值减1,即S=S-1;
    ②如果S³0,则该进程继续执行;否则该进程置为等待状态,排入等待队列。
    V(S):①将信号量S的值加1,即S=S+1;
    ②如果S>0,则该进程继续执行;否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

    PV操作的意义:我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。
    信号量(semaphore)的数据结构为一个值和一个指针,指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时,表示当前可用资源的数量;当它的值小于0时,其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意,信号量的值仅能由PV操作来改变。
    一般来说,信号量S>0时,S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源,因此S的值减1;当S<0时,表示已经没有可用资源,请求者必须等待别的进程释放该类资源,它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源,因此S的值加1;若S<0,表示有某些进程正在等待该资源,因此要唤醒一个等待状态的进程,使之运行下去。

    共享存储
    在通信的进程之间存在一块可直接访问的共享空间,通过对这片共享空间进行写/读操作实现进程之间的信息交换。在对共享空间进行写/读操作时,需要使用同步互斥工具(如 P操作、V操作),对共享空间的写/读进行控制。共享存储又分为两种:低级方式的共享是基于数据结构的共享;高级方式则是基于存储区的共享。操作系统只负责为通信进程提供可共享使用的存储空间和同步互斥工具,而数据交换则由用户自己安排读/写指令完成。
    需要注意的是,用户进程空间一般都是独立的,要想让两个用户进程共享空间必须通过特殊的系统调用实现,而进程内的线程是自然共享进程空间的。

    消息传递
    在消息传递系统中,进程间的数据交换是以格式化的消息(Message)为单位的。若通信的进程之间不存在可直接访问的共享空间,则必须利用操作系统提供的消息传递方法实现进程通信。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。
    1) 直接通信方式:发送进程直接把消息发送给接收进程,并将它挂在接收进程的消息缓冲队列上,接收进程从消息缓冲队列中取得消息。
    2) 间接通信方式:发送进程把消息发送到某个中间实体中,接收进程从中间实体中取得消息。这种中间实体一般称为信箱,这种通信方式又称为信箱通信方式。该通信方式广泛应用于计算机网络中,相应的通信系统称为电子邮件系统。

    管道通信
    管道通信是消息传递的一种特殊方式。所谓“管道”,是指用于连接一个读进程和一个写进程以实现它们之间通信的一个共享文件,又名pipe文件。向管道(共享文件)提供输入的发送进程(即写进程),以字符流形式将大量的数据送入(写)管道;而接收管道输出的接收进程(即读进程),则从管道中接收(读)数据。为了协调双方的通信,管道机制必须提供以下三方面的协调能力:互斥、同步和确定对方的存在。

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