计算机操作系统知识点

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前言

记录一些基础和重要的知识点。

进程与线程

  • 进程：系统进行资源分配与调度的一个独立单位，是系统中的并发执行的单位
  • 线程：是进程的一个实体，也是CPU调度和分派的基本单位，比进程更小、更独立运行。有时被称作轻权进程或轻量级进程

区别

  • 进程是资源分配最小单位，线程是CPU调度最小单位
  • 不同进程地址空间相互独立，同一进程内的线程共享同一地址空间；一个进程的线程在另一个进程内是不可见的
  • 进程间不会互相影响，而一个线程挂了可能导致整个进程挂
  • 创建进程或撤销进程，系统都要为之分配或回收资源，操作系统开销远大于创建或撤销现成的开销

并发 VS 并行

并发：强调一个CPU一定时间可以处理多个事情

并行：强调多个CPU同一时刻处理不同事情，真正意义上的同时处理

同步 VS 异步 VS 阻塞 VS 非阻塞

同步：调用者一直等待返回结果，方法执行完成，才能执行后续方法

异步：方法开始后就会返回，调用者无需等待其中方法执行完毕，就可以执行后续方法

主要是针对IO操作

阻塞：线程持续等待资源中数据准备完成，直到返回响应结果

非阻塞：线程直接返回结果，不会持续等待资源准备数据结束后才响应结果

主要是针对线程，可以发生在IO期间也可能发生在IO之前

调度

先来先服务 FIFS

先请求的进程先得到服务，即根据ready队列的顺序，排在前面的进程先得到服务

  • **优点：**实现简单、易理解；公平
  • **缺点：**平均等待时间往往很长

最短作业优先 SJF

优先服务时间最短的作业。

实际上难以实现，因为无法知道下次CPU执行的长度。但可以用公式\uptau_{n+1}=\alpha t_n+(1-\alpha)\uptau_n来对下一次CPU执行时长进行预测，其中tnt_n表示最近一次的信息，\uptau_n存储了过去的信息。

  • **优点：**平均等待时间短
  • **缺点：**公平性不足，容易导致饿死现象的产生

优先级调度

给每个进程分配优先级，高优先级的进程首先获得CPU时间。

  • 优点：
  • **缺点：**容易导致饿死的现象，即优先度较低的进程永远也无法得到执行。

轮转调度 RR调度（使用最广）

抢占式调度。轮流按就绪队列顺序为每一个进程分配时间片，当一个正在执行的进程的时间片用完了，将其放回就绪队列中，换上另一个进程分配时间片。

  • **优点：**保证了公平，没一个进程在一个时间段上都能得到执行
  • **缺点：**平均等待时间较长

时间片大小的选取决定了RR性能高低。如果时间片大，则类似于FIFS，如果小，则花费大量时间用于上下文切换，效率很低。

一般而言，80%的进程的CPU执行时间小于时间片。

多级队列调度

将进程分成不同的队列，每一个队列内有各自的算法，每一个队列间有不同的优先级。

一般将进程氛围前台进程（优先级高）和后台进程两个队列。

队列间的调度算法两种：

- 固定优先级抢占式调度：当前台进程队列为空时，才调度后台进程
- 队列间划分时间片：每个队列有一定比例的CPU时间

多级队列反馈调度

在多级队列调度的基础上，允许进程在队列间进行迁移。

如果进程使用较多CPU时间，则迁移到更低的优先级队列，即不会让某一个进程一直长时间地执行

如果进程在较低优先级队列中等待时间较长，那么会把它放到更高优先级队列中，防止饿死现象

死锁

概念

死锁是指多个进程在运行过程中因 资源争夺 而造成的一种僵局。

死锁的产生原因

存在一些不可剥夺资源，而当两个或两个以上进程占有自身资源，并请求对方资源时，都无法继续推进。

竞争资源

  • 可剥夺资源：CPU和主存
  • 不可剥夺资源：不能强行收回的分配资源，如磁带机、打印机

进程推进顺序不当

死锁产生的必要条件

  • 互斥条件：进程要求对所分配的资源进行排他性控制，某一段时间资源仅为自己所占有
  • 请求和保持条件：当进程因请求资源而阻塞时，对已经获得资源保持不放
  • 不剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完前，不能剥夺，只能自己使用完由自己释放
  • 环路等待条件：必然存在一个进程-资源的环形链

解决死锁

  • 预防

    1. 破坏请求条件：请求一次性分配资源
    2. 破坏请保持条件：一个分配不到，就干脆不分配其他的
    3. 破坏不剥夺条件：如果得不到其他资源，则剥夺其资源
    4. 破坏环路等待条件：赋予编号排队请求资源

  • 避免

    1. 银行家算法

  • 检测

  • 解除

    1. 资源剥夺

      挂起某些进入死锁状态的进程，将它的其他资源剥夺，分配给其他进程

    2. 撤销进程

      强制撤销部分、甚至全部死锁进程并剥夺其资源

    3. 进程回退

      让一个或多个进程回退到足以避免死锁的地步，此时是自愿释放资源，并非被剥夺资源

页面置换算法

  • FIFO先进先出置换算法：淘汰最先进入的页
  • OPT最佳置换算法：选择未来最远将使用的页淘汰
  • LRU最近最久未使用算法
  • Clock时钟置换算法（NRU最近未用算法）：为每个页设置一位访问位，将所有页面都通过链接指针链成一个循环队列
  • 最不常用算法：淘汰访问次数最少的页

中断 VS 异常

中断：CPU执行指令以外的事件引起，如I/O完成中断，表示设备I/O处理已经完成，处理其能够发送下一个I/O请求，还有时钟中断、控制台中断、次盘中断、打印机中断

异常：CPU执行指令内部出现的，如非法操作码、地址越界、算数溢出

内核态 VS 用户态

内核态：类似于Linux中sudo更高权限。处于内核态的CPU可以访问任意数据，包括外围设备，比如网卡，硬盘等，也可以从一个程序切换到另一个程序，并且占用CPU不会出现抢占情况，一般是处于特权级0的状态。

用户态：只能受限制访问内存，且不能访问外围设备，也不允许独占，也就是说，CPU会被其他程序获取。

----------到结尾啦！！ Hoohoo----------