From 277fcb1b8b8ad5fd7735156397fab79401f244f4 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: InkSoul Date: Sat, 1 Jul 2023 23:37:40 +0800 Subject: [PATCH] finish up chapter one --- content/408/《操作系统》计算机系统概述.md | 92 +++++++- content/408/《操作系统》进程与线程.md | 263 ++++++++++++++++++++++ 2 files changed, 352 insertions(+), 3 deletions(-) create mode 100644 content/408/《操作系统》进程与线程.md diff --git a/content/408/《操作系统》计算机系统概述.md b/content/408/《操作系统》计算机系统概述.md index c997eaf..419a605 100644 --- a/content/408/《操作系统》计算机系统概述.md +++ b/content/408/《操作系统》计算机系统概述.md @@ -376,6 +376,92 @@ date: 2022-08-18T15:53:40+08:00 * 广义指令（系统调用）的调用 * 外部中断，缺页 * 改变处理器状态 - * 内核态$/to$用户态 ： 发生在中断返回用户程序是，需要一条修改PSW（程序状态字）的特权命令 - * 用户态$/to$内核态 ： 发生在中断时，通过硬件完成 - * 状态区分目的： 保护系统程序 \ No newline at end of file + * 内核态$\to$用户态 ： 发生在中断返回用户程序是，需要一条修改PSW（程序状态字）的特权命令 + * 用户态$\to$内核态 ： 发生在中断时，通过硬件完成 + * 状态区分目的： 保护系统程序 +* 内核功能 + * 时钟管理：实现计时功能 + * 中断处理：负责实现中断机制 + * 设备管理：完成设备的请求和释放，以及设备启动等功能 + * 文件管理：完成文件的读、写、创建和释放等功能 + * 进程管理：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能 + * 进程通信：完成进程间的信息传递或信号传递等功能 + * 内存管理：完成内存的分配，回收及获取作业占用内存大小及地址等功能 + * 原语 + * 一种特殊的程序 + * 处于操作系统最底层，最接近硬件的部分 + * 运行具有原子性（只能一气呵成，不可中断） + * 运行时间较短，调用频繁 +* 外中断和内中断 + * 异常（内中断） + * 基本概念 + * 由CPU内部产生的意外事件 + * CPU执行一条命令时，由CPU在其内部检测到的，与正在执行指令相关的同步事件 + * 故障和自陷为异常 + * 终止异常和外中断属于硬件中断 + * 分类 + * 故障：在引起故障的指令启动之后、执行结束前被检测到的异常事件 + * 指令译码时，出现非法操作码 + * 取数据时，出现缺页或缺段 + * 除数为零 + * 地址越界 + * 自陷：也称陷阱或陷入，是预先安排的一种异常事件，如同预先设置好的陷阱一样 + * x86机器中，用于程序调试的断点设置和单步跟踪功能 + * 系统调用指令 + * 条件自陷指令 + * 终止：在执行指令的过程中发生了使计算机无法继续执行的硬件故障，程序无法执行，只能终止 + * 控制器出错 + * 存储器校验错 + * 调出中断服务程序来重启系统 + * 执行时间 + * CPU在执行指令时检查是否有异常产生 + * 不同点（与外中断） + * 缺页或溢出等异常事件是特定指令在执行过程中产生的 + * 异常的检测由CPU自身完成，不需要外部某个信号通知CPU + * 中断（外中断） + * 基本概念 + * 由来自CPU外部的设备发出的中断请求（常用于输入输出） + * 典型的由外部设备触发的，与当前正在执行的指令无关的异步事件 + * 外部I/O设备通过特定的中断请求信号线向CPU提出中断请求 + * CPU每执行一条指令就检查中断请求信号线，若检测到中断请求，则进入中断响应期 + * 外部中断都是一条指令执行完成后（中断周期）才被检测并处理的 + * 分类 + * 可屏蔽中断 + * 通过可屏蔽中断请求线INTR向CPU发出的中断请求 + * CPU可通过在中断控制器中设置相应的屏蔽字来屏蔽或不屏蔽它，被屏蔽的中断信号将不被送到CPU + * 不可屏蔽中断 + * 通过不可屏蔽中断请求线NMI向CPU发出的中断请求 + * 通常为非常紧急的硬件故障 + * 举例 + * Cache缺失 + * I/O中断：键盘输入，打印机缺纸 + * 时钟中断 + * I/O中断请求 + * 执行时间 + * 每个指令周期末尾，CPU都会检查是否有外中断信号需要处理 + * 不同点（与内中断） + * 不与任何指令相关联，也不阻止任何指令的完成 +* 系统调用（广义指令） + * 定义 + * 操作系统对应用程序和程序员提供的接口 + * 系统调用需要触发Trap【也叫陷入/访管指令】 + * OS通过提供系统调用避免用户程序直接访问外部设备【应用程序通过】 + * 目的：请求系统服务 + * 与库函数区别 + * 库函数 + * 语言或应用的一部分，可以运行在用户空间中 + * 许多库函数都会使用系统调用来实现功能 + * 有的库函数没有使用系统调用 + * 系统调用 + * 是操作系统的一部分，是内核为用户提供的程序接口，运行在内核空间 + * 未使用系统调用的库函数，执行效率通常比系统调用的高【无需完成上下文切换和状态转换】 + * 功能分类 + * 设备管理：完成设备的请求或释放+设备启动 + * 文件管理：完成文件的读、写、创建、删除 + * 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞、唤醒 + * 内存管理：完成内存的分配、回收、获取作业占用内存区大小及始址 + * 系统调用过程 + 1. 传参 + 2. 陷入指令/Trap/访管【执行系统调用】（发生在用户态） + 3. 由操作系统内核程序处理系统调用（发生在内核态） + 4. 返回应用程序 \ No newline at end of file diff --git a/content/408/《操作系统》进程与线程.md b/content/408/《操作系统》进程与线程.md new file mode 100644 index 0000000..6e997d5 --- /dev/null +++ b/content/408/《操作系统》进程与线程.md @@ -0,0 +1,263 @@ +--- +title: "《操作系统》进程与线程" +date: 2023-07-01T15:59:00+08:00 + +--- + +## 线程 + +### 常考知识点 + +* 交换数据 + * 进程之间不能直接交换数据，但可以利用OS提供的共享文件（管道），信息传递系统，共享存储区来进行通信 + * 全局变量是针对一个进程而言的，不同的进程拥有不同的代码和数据段，不能通过全局变量来交换进程间数据 + * 临界资源一次只能为一个进程所用 +* 进程的特性 + * 进程失去封闭性（进程执行的结果之只取决于进程本身）后，不同速度下的执行结果不同 + * 进程被建立后，随着进程运行的正常或不正常而撤销 + * 进程不是一个完整的程序 + * 进程是动态的，程序是静态的 + * 进程是暂时的，程序是永久的 + * 进程至少由代码、数据、PCB组成，程序仅需要代码和数据 + * 一个进程是程序在一个数据集上的一次运行过程；运行于不同的数据集，会形成不同的进程 +* 进程与进程的关系 + * 进程与进程之间完全隔离，线程与线程之间没有隔离 + * 一个进程的状态变化可能引起另一个进程的状态变化 + * 如大衣呢进程结束后可能改变另一个等待打印机的进程 +* 各种状态 + * 死锁的进程位于阻塞态，不可能所有进程都处于就绪态，但可以所有的进程都处于阻塞态（死锁的时候） + * 就绪队列进程的多少与处理器的效率无关，只有当就绪队列为空时，CPU进入等待态，CPU效率下降 +* 进程里的各种信息 + * 正文段 + * 存放二进制代码，常量 + * 全局赋值变量，常量值123 + * 数据堆段 + * 动态分配的存储区 + * malloc动态分配的存储区 + * 数据栈段 + * 临时使用变量 + * 未赋值的局部变量，函数调用实参传递值 + +### 进程概念与特征 + +* 进程 + * 定义 + * 进程是程序的一次执行过程 + * 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动 + * 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位 + * 特征 + * 动态性 + * 并发性 + * 独立性 + * 异步性 + * 引入进程原因 + * 使多道程序并发执行，提高资源利用率和系统吞吐量 + * 其他考点 + * 进程实体/进程映像 = PCB+程序段+相关数据段 + * 进程映像是静态的，进程是动态的，程序是静态的 + * 进程控制块（PCB）是进程的唯一标志 + * 系统资源 = 处理机，存储器和其他设备服务于某个进程的时间【系统资源类似于处理机的时间片】 + +### 进程的状态与切换 + +* 五种状态 + * 运行态Running 该进程占用CPU + * 就绪态Ready 进程获得了除处理机外的一切所需资源，一旦得到处理机就可以立即运行 + * 阻塞态Blocked 该进程正在等待某一事件发生而暂停运行，即使给他CPU控制权，它也无法运行 + * 创建态 New 进程正在被创建时的状态 + * 结束态Exit 进程正在从系统中消失时的状态 +* 进程转换 + * 就绪态$\to$运行态 + * 进程被调度，获得处理机资源（分派处理机时间片） + * 运行态$\to$就绪态 + * 时间片用完后，不得不让出处理机 + * 可剥夺的OS中，当有更高优先级的进程就绪时，调度程序将正在执行的进程转换为就绪态 + * 运行态$\to$阻塞态 + * 进程请求某一资源（外设）的使用和分配时 + * 等待某一事件的发生时（I/O操作的完成） + * 进程以系统调用的方式请求OS提供服务，这个过程系统从用户态转换为核心态 + * 该过程为主动行为 + * 阻塞态$\to$就绪态 + * I/O操作结束或中断结束时 + * 该过程为被动行为，需要其他相关进程的协助 + + +### 进程的控制结构/数据结构 + +* PCB + * 进程存在的唯一标识 + * 一个进程的存在，必然会有一个PCB，如果进程消失了，PCB也会随之消失 +* PCB包含信息 + * 进程描述信息 + * 进程标识符PID：标识各个进程，每个进程都有一个并且唯一的标识符 + * 用户标识符UID：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务 + * 进程控制和管理信息 + * 进程当前状态：如new、ready、running、waiting、blocked等 + * 进程优先级：进程抢占CPU时的优先级 + * 资源分配清单 + * 有关内存地址空间或虚拟地址空间的信息 + * 所打开文件的列表和所使用的I/O设备信息 + * CPU相关信息 + * CPU中各个寄存器的值 + * 进程被切换时，CPU的状态信息都会被保存在相应的PCB中以便进程重新执行时，从断点处继续执行 +* 组织PCB + * 链接方式 + * 把统一状态的PCB链成一个队列，不同状态对应不同队列 + * 把处于阻塞态的进程的PCB，根据阻塞原因，排成多个阻塞队列 + * 索引方式 + * 把统一状态的进程组织在一个索引表中 + * 如就绪索引表，阻塞索引表 +* 程序段 + * 能被进程调度程序调度到CPU执行的程序代码段 + * 程序可以被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序 +* 数据段 + * 可以是进程对应的程序加工处理的原始数据 + * 可以是程序执行时产生的中间或最终结果 + + +### 进程控制 + +* 创建 + * 定义和过程 + * 允许一个进程创建另一个进程 + * 允许子进程继承父进程所拥有的资源 + * 创建进程的过程： + * 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，比如进程的唯一标识等 + * 为该进程分配运行时所必需的资源，如内存资源 + * 将PCB插入到就绪队列，等待被调度运行 + * 对应事件 + * 中断登陆系统，作业调度 + * 系统提供服务 + * 用户程序的应用 + * 设备分配不需要创建进程 +* 终止 + * 定义和过程 + * 有3种终止方式：正常结束，异常结束以及外界干预 + * 当子进程被终止时，其在父进程处继承的资源应当还给父进程 + * 当父进程被终止时，该父进程的子进程就变为孤儿进程 + * 终止进程的过程 + * 查找需要终止的进程的PCB + * 如果处于执行状态，则立即终止该进程的执行，然后将CPU资源分配给其他进程 + * 如果还有其他子进程，则将该进程的子进程交给1号进程接管 + * 将该进程所拥有的全部资源都归还给操作系统 + * 将其从PCB所在队列中删除 + * 对应事件 + * 正常结束 + * 异常结束 + * 外界干预 +* 阻塞 + * 定义和过程 + * 当进程需要等待某一事件完成时，它可以调用阻塞语句把自己阻塞等待 + * 一旦被阻塞等待，只能由另一个进程唤醒 + * 阻塞进程的过程 + * 找到将要被阻塞进程标识号对应的PCB + * 如果该进程为运行状态，则保护其现场，将其状态转为阻塞状态，停止运行 + * 将该PCB插入到阻塞队列中去 + * 对应事件 + * 请求系统资源失败 + * 等待某种操作的完成 + * 新数据尚未到达或无新任务可做 +* 唤醒 + * 定义和过程 + * 进程由运行转变为阻塞状态是由于进程必须等待某一事件的完成 + * 处于阻塞状态的进程是绝对不可能自我唤醒 + * 如果某进程正在等待I/O事件，需由别的进程发消息给它 + * 只有当该进程所期待的事件出现时，才由发现者进程用唤醒语句叫醒它 + * 唤醒进程的过程 + * 在该事件的阻塞队列中找到相应进程的PCB + * 将其从阻塞队列中移出，重置状态为就绪状态 + * 把该PCB插入到就绪队列中，等待调度程序调度； + * 对应事件 + * 释放I/O设备的进程 + * 提供数据的进程 + +### 进程的通信 + +* 定义 + * 进程通信是指进程之间的信息交换 +* 低级通信方法 + * PV操作 +* 高级通信方法 + * 共享存储，如共享内存，共享文件系统 + * 信息传递，需要发送消息和接受消息两个原语 + * 管道通信 + * 需要满足的能力 = 互斥+同步+确定对方的存在 + * 缓冲区只允许一边写入，另一边读出，所以管道只能采用半双工通信 + * 管道是一种文件，所以两个进程可以通过文件系统交换数据 + * 共享存储：进程$\leftrightarrows$共享空间$\leftrightarrows$进程 + * 信息传递：进程$\leftrightarrows$进程 + * 管道通信：进程$\leftarrow$缓冲区$\leftarrow$进程$\rightarrow$缓冲区$\rightarrow$进程 + + +### 进程的上下文切换 + +* 上下文 + * 上下文是指某一时刻CPU寄存器和PC的内容 +* 进程上下文切换 + * 上下文切换时指一个进程切换到另一个进程的过程 +* 上下文切换的实质 + * 上下文切换实质是处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中，进程的运行环境产生了实质性的变化 +* 上下文切换的消耗 + * 有些处理器提供多个寄存器组，上下文切换指需要简单改变当前寄存器组的指针 +* 上下文切换的场景 + * 某个进程时间片耗尽时 + * 进程在系统资源不足时，要等到资源满足后才可以运行 + * 进程通过sleep将自己挂起 + * 由优先级更高的基础运行时 + * 发送硬件中断时 +* 上下文切换的流程 + * 挂起一个进程，保存CPU上下文，包括PC和其他寄存器 + * 更新PCB信息 + * 把进程的PCB移到相应的队列 + * 加载另一个进程执行，更新其PCB + * 跳转到新进程PCB中的PC所指向的位置执行 + * 恢复处理机上下文 +* 调度和切换的区别 + * 先有资源的调度，才有进程的切换 + * 调度：决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为 + * 切换：实际分配的行为，是一种执行行为 + +## 线程 + +### 常考知识点 + +* 关于线程的特征 + * 线程是处理机调度的基本单位，可以独立执行程序 + * 没有相同的进程，但是调用在不同进程中的线程可以相同 +* 关于线程可共享的东西 + * 线程没有自己独立的地址空间，每个线程只拥有自己的独立的栈空间 + * 线程之间可以共享进程的资源（如代码段，堆空间，数据段，打开的文件） + * 线程之间不能共享虚拟地址空间，线程之间不能共享栈指针 +* 线程的并行与并发 + * 同一进程或不同进程内的线程都可以并发执行 + * 进程之间可以并发但不可以并行，同一进程之间的线程可以并行 +* 其他 + * 键盘驱动程序不能体现多线程系统的特点，因为计算机一般只有一个键盘 + + +### 进程与线程的比较 + +| |进程 | 线程 | +| --- | --- | --- | +|是什么的单位|是资源分配的基本单位|是调度的基本单位| +|不能共享什么|不能共享虚拟地址空间|不能共享栈指针| +|可以共享什么|拥有一个完整的资源平台，每个进程都有独立的地址空间和资源，除了共享全局变量，不允许其他进程访问|某进程中的线程对其他进程不可见，线程共享进程的地址空间和资源，线程自己没有独立的地址空间，只共享必不可少的资源，如寄存器和栈| +|进程切换会引起什么|不同进程的线程的切换会引起进程切换|同一进程的线程的切换不会引起进程切换| +|创建、终止、切换时间|慢|快| +|数据交换效率|低|各线程间共享内存和文件资源，数据交换效率高| + +### 线程的概念与特征 + +* 定义 + * 线程是进程当中的一条执行流程 + * 线程之间可以并发运行且共享相同的地址空间 + * 线程自己不拥有系统资源，但可与同属一个进程的程序共享进程所有的资源 + * 线程同样具有三种基本状态：运行态+阻塞态+就绪态 +* 为什么引入线程 + * 减少程序在并发执行过程中所付出的时空开销，提高操作系统的并发能力 +* 引入线程提高系统并发性原因 + * 线程可以导致平均每次切换所需开销变少，使更多线程参与并发 + +### 线程组成和控制 + +*