操作系统--进程

2.1.1 进程的概念、组成、特征

进程的概念

进程的组成

进程的特征

总结

2.1.2 进程的状态与转换,进程的组织

创建态、就绪态

运行态

阻塞态

终止态

进程状态的转换

进程的组织

链式方式

索引方式

2.1.3 进程控制

如何实现进程控制?

在下面的例子,将PCB2的是state设为1和和把它放到就绪队列里面这两件事情必须要是一气呵成的,否则,如果先把state设为1,然后这件事情被终止了,但是此时state为的进程就被放到了阻塞队列里面。

如何实现原语的原子性?

进程控制的相关原语

创建原语

作业:在外存中,还未进入内存投入运行的程序

作业调度:从外存中挑选一个程序投入运行

撤销原语

阻塞原语和唤醒原语

切换原语

程序是如何运行的?---加深理解

总结

2.1.4 进程通信

什么是进程通信?

为什么进程通信需要操作系统支持?

共享存储

涉及到如在同一块区域写东西造成数据覆盖,所以各个进程对共享空间的访问应该是互斥的

消息传递

管道通信

管道通信与共享存储的区别:

共享存储可以在任何一块地方写,也可以从任何一个地方读

管道通信本质上是一个循环队列,只能从前面写,从后面读

总结

2.1.5 线程的概念

什么是线程,为什么要引入线程?

同一个进程中的两个线程可以执行同一份代码,也可以执行不同的代码

引入线程机制后,有什么变化?

线程的属性

2.1.6 线程的实现方式和多线程模型

线程的实现方式

用户级线程(操作系统感知不到它的存在)

内核级线程(操作系统可以感知到它的存在)

多线程模型

一对一模型

多对一模型

多对多模型

总结

2.1.7 线程的状态与转换

线程的状态与转换

线程的组织与控制

SP:堆栈寄存器

2.2.1 调度的概念、层次

调度的基本概念

调度的三个层次

高级调度

低级调度

中级调度

三层调度的联系、对比

补充------进程的挂起态与七状态模型

就绪挂起状态已经请求到了要使用的资源，虽然到了外存里面，但是不需要再回到创建态，可以直接回到就绪态，阻塞态也同理。

总结

2.2.2 进程调度的时机、切换与过程、方式

进程调度的时机

进程在访问临界区资源的时候会进行上锁,阻止其他进程访问

普通临界区访问的临界资源不会直接影响到操作系统内核的管理工作,因此在访问普通临界区时可以进行调度与切换

进程调度的方式

进程的切换与过程

总结

2.2.3 调度器和闲逛进程

调度器/调度程序

闲逛进程

o地址指令:永远不需要访问寄存器等,减少能耗

2.2.4 调度算法的评价指标

CPU利用率

系统吞吐量

周转时间

带权周转时间

等待时间

响应时间

总结

2.2.3 调度算法

1<>先来先服务(FCFS)

① FCFS适合长进程，不利于短进程，短进程等待时间和周转时间过长。

② FCFS有利于CPU繁忙型 （如科学计算）进程调度，而不利于I/O繁忙型（如事务处理）进程调度。

2<>短作业优先(SJF)

➢算法优点

与FCFS算法相比，短进程算法能有效降低进程的平均等待时间、平均周转时间和带权平均周转时间、提高系统的吞吐量。

➢算法缺陷

① 对长进程不利，长进程可能长时间得不到调度

② 不能保证紧迫进程的及时处理，因为该算法不考虑进程的紧迫程度

③ 进程执行长短根据用户的估计而定，故不一定能真正做到短进程优先

最短剩余时间优先算法(短作业优先的抢占式版本)

3<>优先权调度算法

类型

(1)非抢占式

➢进程一旦获得处理机后，一直运行，除非正在执行的进程因发生某事件而不能再继续执行

➢在执行期间，即使有高优先权的进程到来时，系统也不剥夺正在执行进程CPU的使用权。高优先权进程只能先进入就绪队列。

(2)抢占式

高优先权的进程可以抢占处理机，使正在执行的低优先权进程中断执行。

在 UNIX中广泛采用抢占式。抢占时机包括：

① 基于时钟中断的抢占式优先权调度算法；

② 立即抢占的优先权调度算法

时钟中断

立即抢占

优先权类型

(1)静态优先权

优先权在创建时确定，在进程的整个运行期间保持不变。

决定静态优先权的依据：进程类型、进程对资源的需求、用户要求。

静态优先权调度算法可能导致无穷阻塞或饥饿问题(优先权小的一直得不到调度)

(2)动态优先权

进程创建时获得的优先权，随进程的推进而改变。

1->设定动态优先权的方法

① 优先级随着进程运行的剩余时间的减少而增加，使将要执行完的进程尽快完成；

② 优先级随着进程运行的剩余时间的减少而减少，避免该进程长期占用处理机；

③ 随着进程排队等待时间的增长而增加，避免长期饥饿。

2->实现方法

在时钟中断到来时，通过进程切换，根据优先权计算方法，重新计算就绪队列中各进程的优先级。

缺点

饥饿问题:

无穷阻塞问题：指就绪态进程因得不到CPU而等待的状态。优先权调度算法会使某个低优先权进程无穷等待CPU，高优先权进程流可以阻止低优先权进程获得CPU。

解决方案：老化(aging)技术。老化技术以逐渐增加在系统中等待时间很长的进程的优先权，使低优先权进程在等待时间很长的情况下优先权变高而获得CPU执行。

高响应比优先算法---HRRN(动态优先权调度算法的一种)

响应比:

Rp=（等待时间+要求服务时间）/ 要求服务时间 = 1 + 等待时间 / 要求服务时间

总结

➢等待时间相同，短进程优先(短进程要求服务的时间短)。

➢要求服务时间相同，先来的进程等待时间长，优先进行调度，算法变为先来先服务。

➢当长进程等待足够长时间后，优先级提高也可获得执行。

➢缺点：很难估计进程预期执行时间；每次计算优先权增加了系统开销。

总结

4<>时间片轮转

1->例子

(1)时间片大小为2

(2)时间片大小为5

2->时间片太大或者太小的缺点

响应时间T=Nq

N:系统中的进程数；q: 时间片的大小。

① （进程数一定）当系统要求的响应时间越短，时间片就越短；

② （响应时间一定）系统允许的最大进程数越多，时间片也越短；

③ 基本命令应该在一个时间片内执行完。

一般来说,设计时间片时要让切换进程的开销占比不超过1%

性能评价

时间片轮转调度算法的性能在很大程度上依赖于时间片的大小。

① 如果时间片很大，进程的响应时间无法保证；

② 如果时间片很小，则进程需要经过多次上下文切换和进程调度，增加了CPU在进程切换和进程调度上的开销，影响系统的吞吐量和CPU利用率等方面的性能。

3->总结

5<>优先级调度(优先权调度)

(1)非抢占式

(2)抢占式

6<>多级队列调度算法

1->背景

短进程优先、优先权高者优先都需要估计进程的预期执行时间，如果估计不准确，将会影响进程调度结果和系统性能。
算法：

将就绪队列分成多个独立队列，根据进程的某些属性（如内存大小、进程优先权或进程类型），进程会被永久地分配到一个队列。每个队列都有自己的调度算法。不同的队列优先权不同，调度算法也可能不同。

2->Minix操作系统的进程调度

Minix把进程按类型不同分为三类，分别对应三个优先权不同的就绪队列：

>优先权最高的任务进程队列

>优先权次之的服务进程队列

>优先权最低的用户进程队列。

<对任务进程和服务进程采用基于优先权的非抢占式调度，优先权高的进程一旦获得处理机将一直运行下去，直到阻塞。

<对优先权最低的用户进程采用时间片轮转的抢占式调度。采用多级队列调度，一旦进程进入系统，就被固定地分配到一个就绪队列中，进程在被撤销前不会在不同队列之间移动。

<>优点是降低了进程调度的开销，但是不够灵活，对低优先权进程会存在无穷阻塞（饥饿）问题。 多级反馈队列调度算法(Multilevel Feedback Queue Scheduling)可以弥补这些不足

7<>多级反馈队列算法

1->背景

解决多级调度算法对低优先权进程会存在无穷阻塞（饥饿）问题。

2->设计

① 系统中建立多个优先权不同的就绪队列。为每个队列赋予大小不同的时间片。

② 反馈策略可以规定：队列优先权越高，时间片越短，时间片通常成倍增长。

③ 新进程被创建后，先插入优先权最高的队列。仅当高优先权队列空时，才调度优先权次之的队列。同一队列中，采用时间片轮转调度算法。

④ 使用CPU时间过多的进程会被移到优先权较低的队列中

⑤ 在较低优先权队列中等待时间过长的进程会被转移到较高的优先权队列中。这样就通过使用老化技术阻止了饥饿的发生。
➢优先级： R1>R2>...>Ri>...>Rn ➢时间片长度： S1<S2<...<Si<...<Sn

第i队列的时间片长度是第i+1队列时间片长度的1/2

➢新进程进入内存后，首先放入到第一个就绪队列末尾，按照FCFS顺序进行安排调度。如果该进程在一个时间片内能够完成，则撤离系统；否则转到第二个就绪队列。以后按照这种方式进行调度。

➢如果直到最后一个队列，通过老化技术，在后面队列中等待时间过长的进程，会逐渐提高其优先级，从而转移到优先权较高的队列中，不会引起饥饿现象。

➢只有当第i-1个就绪队列为空时，系统才会调用第i个就绪队列。