操作系統(tǒng)概論
操作系統(tǒng)的概念
操作系統(tǒng)是指控制和管理計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，并合理的組織調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作和資源的分配核行，以提供給用戶和其他軟件方便的接口和環(huán)境集合。
操作系統(tǒng)的特性
并發(fā)性：是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的事件或活動(dòng)在同一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生蹬耘。
共享性：是指系統(tǒng)中并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程共享系統(tǒng)資源芝雪，而不是被一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占。由于資源的屬性不同综苔，多個(gè)進(jìn)程對(duì)資源的共享方式也不同惩系，可以分為互斥共享方式和同時(shí)訪問(wèn)方式。
-
虛擬性：通過(guò)虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)充如筛。虛擬是指把一個(gè)物理上的實(shí)體映射成若干個(gè)邏輯上的對(duì)應(yīng)物堡牡。在操作系統(tǒng)中，虛擬的實(shí)現(xiàn)主要采用了分時(shí)的方法杨刨，如果 n 是某個(gè)物理設(shè)備對(duì)應(yīng)的虛擬邏輯設(shè)備數(shù)晤柄，顯然每個(gè)虛擬邏輯設(shè)備的速度是物理設(shè)備的 1/n。
- 在多道分時(shí)系統(tǒng)中妖胀，利用多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)可以把一臺(tái)物理上的CPU虛擬為多臺(tái)邏輯上的CPU芥颈，供多個(gè)終端用戶使用；
- 在虛擬存儲(chǔ)器中赚抡，僅把作業(yè)的一部分裝入內(nèi)存便可運(yùn)行作業(yè)爬坑，從邏輯上對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行了擴(kuò)充；
- 在虛擬設(shè)備管理中虛擬設(shè)備技術(shù)的使用涂臣，可將一臺(tái)物理設(shè)備變換為若干臺(tái)邏輯上的對(duì)應(yīng)物妇垢。
異步性：在多道程序設(shè)計(jì)環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，由于資源等多個(gè)因素的限制闯估，進(jìn)程的執(zhí)行不是“一氣呵成”灼舍，而是“走走停停”的方式運(yùn)行涨薪。內(nèi)存中的每個(gè)進(jìn)程在何時(shí)執(zhí)行骑素，何時(shí)暫停，以怎樣的方式向前推進(jìn)刚夺，每道程序需要多長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行完等等都是不確定的献丑。
操作系統(tǒng)的功能
- 服務(wù)用戶觀點(diǎn)——作為用戶接口和公共服務(wù)程序：向用戶提供方便的軟件接口和良好的界面。
- 進(jìn)程交互觀點(diǎn)——作為進(jìn)程執(zhí)行的控制者和協(xié)調(diào)者：進(jìn)程和線程的管理侠姑。
- 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觀點(diǎn)——作為擴(kuò)展機(jī)或虛擬機(jī)：對(duì)硬件提供功能的擴(kuò)展创橄。
- 資源管理觀點(diǎn)——作為資源的管理者和控制者：管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源（處理器管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理国葬、聯(lián)網(wǎng)與通信管理）。
操作系統(tǒng)的分類(lèi)
- 單用戶操作系統(tǒng)：一次只能支持一個(gè)用戶程序的運(yùn)行醉蚁，如 MS-DOS 系統(tǒng)
- 批處理操作系統(tǒng)：優(yōu)點(diǎn)是資源利用率高、系統(tǒng)吞吐量大鬼店，缺點(diǎn)是不具有交互性网棍、作業(yè)周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。
- 分時(shí)操作系統(tǒng)：優(yōu)點(diǎn)是多路性強(qiáng)妇智、交互性好滥玷、響應(yīng)及時(shí)
- 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：優(yōu)點(diǎn)是及時(shí)性好、可靠性高
- 網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)巍棱、多機(jī)系統(tǒng)
操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
- 單體式結(jié)構(gòu)/模塊化結(jié)構(gòu)
- 分層式結(jié)構(gòu)
- 虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)
- 微內(nèi)核結(jié)構(gòu)
多道程序設(shè)計(jì)
為什么說(shuō)批處理多道系統(tǒng)能極大地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作效率罗捎？
- 多道作業(yè)并行工作，減少了處理器的空閑時(shí)間拉盾。
- 作業(yè)調(diào)度可以合理選擇裝入主存儲(chǔ)器中的作業(yè)，充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的資源豁状。
- 作業(yè)執(zhí)行過(guò)程中不再訪問(wèn)低速設(shè)備捉偏，而直接訪問(wèn)高速的磁盤(pán)設(shè)備，縮短執(zhí)行時(shí)間泻红。
- 作業(yè)成批輸入夭禽，減少了從操作到作業(yè)的交接時(shí)間。
優(yōu)點(diǎn)：提高CPU的利用率谊路；提高設(shè)備的利用率讹躯；提高系統(tǒng)吞吐量
處理器管理
中斷技術(shù)
進(jìn)程管理
進(jìn)程的概念
進(jìn)程是具有一定獨(dú)立功能的程序，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位，重點(diǎn)在系統(tǒng)調(diào)度的單位潮梯，也就是說(shuō)進(jìn)程是可以獨(dú)立運(yùn)行的一段程序骗灶。
一句話概括，進(jìn)程是并發(fā)環(huán)境中完成的程序的執(zhí)行過(guò)程秉馏。
進(jìn)程是資源分配的最小單位耙旦。
進(jìn)程 = （一個(gè)）資源+（多個(gè)）指令執(zhí)行序列，也就是將資源和指令執(zhí)行分開(kāi)
進(jìn)程的作用：提高資源利用率萝究、正確描述程序的執(zhí)行情況免都、使CPU和外設(shè)間有效地并行工作。
進(jìn)程的描述和組成
進(jìn)程是由程序段帆竹、數(shù)據(jù)段绕娘、進(jìn)程控制塊(PCB)組成。
PCB
進(jìn)程標(biāo)識(shí)符
處理機(jī)狀態(tài)
進(jìn)程調(diào)度信息
進(jìn)程控制信息
進(jìn)程的基本特征
- 動(dòng)態(tài)性：進(jìn)程是正在執(zhí)行程序的實(shí)例栽连；進(jìn)程是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生险领、動(dòng)態(tài)消亡的；進(jìn)程在其生命周期內(nèi)升酣，在三種基本狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換
- 獨(dú)立性：進(jìn)程是資源分配的一個(gè)獨(dú)立單位（例如：各進(jìn)程的地址空間相互獨(dú)立）
- 并發(fā)性：任何進(jìn)程都可以和其他進(jìn)程一起向前推進(jìn)舷暮、并發(fā)執(zhí)行
- 交互性：進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中可能與其他進(jìn)程產(chǎn)生直接或間接的關(guān)系
- 異步性：由于進(jìn)程間的相互制約，使進(jìn)程具有執(zhí)行的間斷性噩茄，即每個(gè)進(jìn)程都以其相對(duì)獨(dú)立的不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)
進(jìn)程的狀態(tài)及其轉(zhuǎn)化
三態(tài)模型：
- 運(yùn)行態(tài)：進(jìn)程占用CPU正在運(yùn)行下面。
- 就緒態(tài)：進(jìn)程具備了運(yùn)行的條件（已獲得除CPU以外的所需資源），但因其他進(jìn)程正在運(yùn)行而暫時(shí)停止绩聘，等待系統(tǒng)分配處理器以便運(yùn)行沥割。
- 等待態(tài)/阻塞態(tài)：進(jìn)程不具備運(yùn)行條件，正在等待某個(gè)事件的完成凿菩。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換：
- 就緒 -> 運(yùn)行：調(diào)度進(jìn)程為其分配處理機(jī)
- 運(yùn)行 -> 就緒：時(shí)間片用完机杜；或出現(xiàn)更高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程，當(dāng)前進(jìn)程被迫讓出處理器衅谷。
- 運(yùn)行 -> 等待：正在執(zhí)行的進(jìn)程因等待某種事件發(fā)生而無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行時(shí)椒拗，申請(qǐng)臨界資源而未被滿足，如 IO 請(qǐng)求（等待 I/O 完成）或者申請(qǐng)緩存
- 等待 -> 就緒：請(qǐng)求得到滿足（等待的事件已經(jīng)發(fā)生）获黔，如 IO 完成
引起進(jìn)程阻塞和喚醒的事件
- 請(qǐng)求系統(tǒng)服務(wù)蚀苛。當(dāng)正在執(zhí)行的進(jìn)程請(qǐng)求系統(tǒng)提供服務(wù)而系統(tǒng)無(wú)法滿足其請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)程阻塞等待玷氏；由釋放服務(wù)的進(jìn)程喚醒阻塞進(jìn)程堵未。
- 啟動(dòng)某種操作。當(dāng)進(jìn)程啟動(dòng)某種I/O操作后阻塞以等待操作完成盏触；由中斷處理程序喚醒阻塞進(jìn)程渗蟹。
- 新數(shù)據(jù)尚未到達(dá)块饺。相互合作的進(jìn)程中，消費(fèi)者進(jìn)程阻塞等待數(shù)據(jù)到達(dá)雌芽；生產(chǎn)者進(jìn)程在數(shù)據(jù)到達(dá)后喚醒阻塞進(jìn)程授艰。
- 無(wú)新工作可做。系統(tǒng)進(jìn)程沒(méi)有新工作可做時(shí)阻塞等待膘怕；當(dāng)有進(jìn)程發(fā)出請(qǐng)求時(shí)喚醒阻塞進(jìn)程想诅。
引起掛起的事件
- 系統(tǒng)資源不足：當(dāng)系統(tǒng)資源尤其是內(nèi)存資源不能再滿足進(jìn)程運(yùn)行的要求時(shí)，必須把某些進(jìn)程掛起岛心，對(duì)換到磁盤(pán)交換區(qū)中来破，釋放掉它占有的某些資源，暫時(shí)不參與低級(jí)調(diào)度忘古，起到平滑負(fù)載的目的徘禁。
- 系統(tǒng)出現(xiàn)故障：以便故障消除后再接觸掛起并恢復(fù)進(jìn)程運(yùn)行。
- 用戶調(diào)試程序：以便進(jìn)行某種檢查和修改髓堪。
線程管理
線程的概念
線程是“輕量級(jí)的進(jìn)程”送朱。
為什么引入（多）線程
- 并行實(shí)體共享同一個(gè)地址空間和所有可用數(shù)據(jù)的能力。
- 線程比進(jìn)程更輕量級(jí)干旁，它們比進(jìn)程更容易驶沼、更快地撤銷(xiāo)。
- 同一進(jìn)程內(nèi)的線程間切換比進(jìn)程間的切換要快争群，尤其是用戶級(jí)線程間的切換回怜。
- 擁有多個(gè)線程允許這樣活動(dòng)彼此重疊進(jìn)行，從而會(huì)加快應(yīng)用程序執(zhí)行速度换薄。
一句話概括：快速線程切換玉雾，通信易于實(shí)現(xiàn)，并行程度提高轻要，減少（系統(tǒng)）管理開(kāi)銷(xiāo)
操作系統(tǒng)分類(lèi)
根據(jù)進(jìn)程與線程的設(shè)置，操作系統(tǒng)大致分為如下類(lèi)型：
- 單進(jìn)程冲泥、單線程驹碍，MS-DOS 大致是這種操作系統(tǒng)；
- 多進(jìn)程凡恍、單線程志秃，多數(shù) UNIX(及類(lèi) UNIX 的 LINUX) 是這種操作系統(tǒng)；
- 多進(jìn)程咳焚、多線程，Win32(Windows NT/2000/XP 等)庞溜、Solaris 2.x 和 OS/2 都是這種操作系統(tǒng)革半；
- 單進(jìn)程碑定、多線程，VxWorks 是這種操作系統(tǒng)又官。
線程的實(shí)現(xiàn)方式
- 內(nèi)核級(jí)線程：1:1
- 用戶級(jí)線程：N:1
- 混合型線程：M:N
詳細(xì)來(lái)說(shuō)：
- 一對(duì)一模型：該模型為每個(gè)用戶級(jí)線程都設(shè)置一個(gè)內(nèi)核線程與之連接延刘，并發(fā)能力較強(qiáng)，但每創(chuàng)建一個(gè)用戶線程六敬，都需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)內(nèi)核線程碘赖。
- 多對(duì)一模型：該模型為多個(gè)用戶級(jí)線程分配一個(gè)內(nèi)核線程。這樣的話外构，線程管理的開(kāi)銷(xiāo)較小普泡，但是當(dāng)一個(gè)線程在訪問(wèn)內(nèi)核時(shí)發(fā)生阻塞，則整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞审编。
- 多對(duì)多模型：多個(gè)用戶線程連接到多個(gè)內(nèi)核線程上撼班，內(nèi)核控制線程的數(shù)目可以根據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)的不同而變化，可以比用戶線程少垒酬，也可以與之相同砰嘁。
內(nèi)核級(jí)線程
如圖所示，即內(nèi)核級(jí)線程的實(shí)現(xiàn)方式勘究，每個(gè)用戶線程都直接與一個(gè)內(nèi)核線程相關(guān)聯(lián)：
- 內(nèi)核線程的創(chuàng)建矮湘、撤銷(xiāo)和切換等，都是內(nèi)核負(fù)責(zé)口糕、通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用完成的缅阳，即內(nèi)核了解每一個(gè)作為可調(diào)度實(shí)體的線程。
- 這些線程可以在全系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行資源的競(jìng)爭(zhēng)走净。
- 內(nèi)核管理所有線程管理券时，并向應(yīng)用程序提供API接口。
- 內(nèi)核維護(hù)進(jìn)程和線程的上下文伏伯。
- 以線程為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)度橘洞。
- 內(nèi)核空間內(nèi)為每一個(gè)內(nèi)核支持線程設(shè)置了一個(gè)線程控制塊（PCB），內(nèi)核根據(jù)該控制塊说搅，感知線程的存在炸枣，并進(jìn)行控制。
- 內(nèi)核線程駐留在內(nèi)核空間弄唧，它們是內(nèi)核對(duì)象适肠。有了內(nèi)核線程，每個(gè)用戶線程被映射或綁定到一個(gè)內(nèi)核線程候引。用戶線程在其生命期內(nèi)都會(huì)綁定到該內(nèi)核線程侯养。一旦用戶線程終止，兩個(gè)線程都將離開(kāi)系統(tǒng)澄干。這被稱作“一對(duì)一”線程映射逛揩。
內(nèi)核線程的優(yōu)點(diǎn)：
- 多處理器系統(tǒng)中柠傍，內(nèi)核能夠調(diào)度同一進(jìn)程中的多個(gè)線程并行執(zhí)行。
- 不需要任何新的辩稽、非阻塞的系統(tǒng)調(diào)用惧笛。如果進(jìn)程中的一個(gè)線程被阻塞，能夠切換同一進(jìn)程內(nèi)的其他線程繼續(xù)執(zhí)行（用戶級(jí)線程的一個(gè)缺點(diǎn)）逞泄。內(nèi)核還可以運(yùn)行另一個(gè)進(jìn)程的線程患整，而用戶空間實(shí)現(xiàn)的線程中，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)始終運(yùn)行自己進(jìn)程中的線程喷众。
- 所有能夠阻塞線程的調(diào)用都以系統(tǒng)調(diào)用的形式實(shí)現(xiàn)各谚，代價(jià)可觀。
- 信號(hào)是發(fā)給進(jìn)程而不是線程的侮腹，當(dāng)一個(gè)信號(hào)到達(dá)時(shí)嘲碧，應(yīng)該由哪一個(gè)線程處理它？線程可以 “注冊(cè)” 它們感興趣的信號(hào)父阻。
內(nèi)核線程的缺點(diǎn)：
- 內(nèi)核線程數(shù)量有限愈涩。
- 如果內(nèi)核線程的操作比較多，會(huì)導(dǎo)致上下文的開(kāi)銷(xiāo)很大加矛。
用戶級(jí)線程
在用戶空間建立線程庫(kù)履婉，這個(gè)線程庫(kù)里提供了一系列的針對(duì)線程的操作。這些線程的管理通過(guò)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)（Run-time System）來(lái)管理的斟览。
它的管理還是以進(jìn)程為單位進(jìn)行管理的毁腿，它無(wú)法感知線程的存在。因此線程間的切換不需要內(nèi)核的參與苛茂，比較快已烤。
- 用戶級(jí)線程僅存在于用戶空間。
- 內(nèi)核并不能看到用戶線程妓羊。
內(nèi)核資源的分配仍然是按照進(jìn)程進(jìn)行分配的胯究；各個(gè)用戶線程只能在進(jìn)程內(nèi)進(jìn)行資源競(jìng)爭(zhēng)。
用戶進(jìn)程的優(yōu)點(diǎn)：
- 可以在不支持線程的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)躁绸；
- 線程切換速度非吃Ｑ快，創(chuàng)建和銷(xiāo)毀線程净刮、線程切換代價(jià)等線程管理的代價(jià)比內(nèi)核線程少得多剥哑，因?yàn)楸４婢€程狀態(tài)的過(guò)程和調(diào)用程序都只是本地過(guò)程；
- 線程的調(diào)度不需要內(nèi)核直接參與淹父，控制簡(jiǎn)單株婴；
- 具有較好的可擴(kuò)展性，允許應(yīng)用程序根據(jù)需要指定線程調(diào)度算法暑认；
- 線程能夠利用的表空間和堆椑Ы椋空間比內(nèi)核級(jí)線程多揪垄；
- 不需要陷阱，不需要上下文切換逻翁，也不需要對(duì)內(nèi)存高速緩存進(jìn)行刷新，使得線程調(diào)用非臣裼悖快捷八回；
用戶線程的缺點(diǎn)：
- 資源調(diào)度按照進(jìn)程進(jìn)行（內(nèi)核只將處理器分配給進(jìn)程），多個(gè)處理機(jī)下驾诈，同一個(gè)進(jìn)程中的線程只能在同一個(gè)處理機(jī)下分時(shí)復(fù)用缠诅；
- 線程發(fā)生 I/O 或頁(yè)面故障引起的阻塞時(shí)，如果調(diào)用阻塞系統(tǒng)調(diào)用乍迄，則內(nèi)核由于不知道有線程的存在管引，而會(huì)阻塞整個(gè)進(jìn)程從而阻塞所有線程直到磁盤(pán) I/O 完成為止（盡管其他線程是可以運(yùn)行的），因此同一進(jìn)程中只能同時(shí)有一個(gè)線程在運(yùn)行闯两；
- 一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程內(nèi)部褥伴，沒(méi)有時(shí)鐘中斷，所以不可能用輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式調(diào)度線程漾狼；
混合型線程
下圖說(shuō)明了用戶級(jí)與內(nèi)核級(jí)的組合實(shí)現(xiàn)方式, 在這種模型中重慢，每個(gè)內(nèi)核級(jí)線程有一個(gè)可以輪流使用的用戶級(jí)線程集合：
線程創(chuàng)建在用戶空間完成，線程調(diào)度等在核心態(tài)完成逊躁。
多個(gè)用戶級(jí)線程多路復(fù)用多個(gè)內(nèi)核級(jí)線程似踱。也就是說(shuō)，核外的用戶空間的線程通過(guò)一個(gè)機(jī)制和核內(nèi)的一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程對(duì)應(yīng)起來(lái)稽煤，那么調(diào)度內(nèi)核的這個(gè)線程上CPU也就是調(diào)度核外的線程上的CPU核芽。
用戶級(jí)線程和內(nèi)核級(jí)線程的區(qū)別
- 內(nèi)核支持線程是 OS 內(nèi)核可感知的，而用戶級(jí)線程是 OS 內(nèi)核不可感知的酵熙。
- 用戶級(jí)線程的創(chuàng)建轧简、撤消和調(diào)度不需要 OS 內(nèi)核的支持，是在語(yǔ)言（如 Java）這一級(jí)處理的绿店；而內(nèi)核支持線程的創(chuàng)建吉懊、撤消和調(diào)度都需 OS 內(nèi)核提供支持，而且與進(jìn)程的創(chuàng)建假勿、撤消和調(diào)度大體是相同的借嗽。
- 用戶級(jí)線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時(shí)將導(dǎo)致其所屬進(jìn)程被中斷，而內(nèi)核支持線程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用指令時(shí)转培，只導(dǎo)致該線程被中斷恶导。
- 在只有用戶級(jí)線程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU 調(diào)度還是以進(jìn)程為單位浸须，處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程中的多個(gè)線程惨寿，由用戶程序控制線程的輪換運(yùn)行邦泄；在有內(nèi)核支持線程的系統(tǒng)內(nèi)，CPU 調(diào)度則以線程為單位裂垦，由 OS 的線程調(diào)度程序負(fù)責(zé)線程的調(diào)度顺囊。
- 用戶級(jí)線程的程序?qū)嶓w是運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序，而內(nèi)核支持線程的程序?qū)嶓w則是可以運(yùn)行在任何狀態(tài)下的程序蕉拢。
進(jìn)程與線程之間的關(guān)系
- 一個(gè)程序至少有一個(gè)進(jìn)程特碳，一個(gè)線程只能屬于一個(gè)進(jìn)程，而一個(gè)進(jìn)程可以有多個(gè)線程晕换，但至少有一個(gè)線程（通常說(shuō)的主線程）午乓。
線程的劃分尺度小于進(jìn)程，使得多線程程序的并發(fā)性高 - 資源分配給進(jìn)程闸准，同一進(jìn)程的所有線程共享該進(jìn)程的所有資源益愈。
- 線程在執(zhí)行過(guò)程中，需要協(xié)作同步夷家。不同進(jìn)程的線程間要利用消息通信的辦法實(shí)現(xiàn)同步蒸其。
- 處理機(jī)分給線程，即真正在處理機(jī)上運(yùn)行的是線程库快。
- 線程是指進(jìn)程內(nèi)的一個(gè)執(zhí)行單元枣接，也是進(jìn)程內(nèi)的可調(diào)度實(shí)體。
進(jìn)程與線程之間的區(qū)別
- 調(diào)度：線程作為CPU調(diào)度和分配的基本單位缺谴，進(jìn)程作為資源分配的基本單位但惶。把傳統(tǒng)進(jìn)程的兩個(gè)屬性分開(kāi)，線程便能輕裝運(yùn)行湿蛔，從而可顯著地提高系統(tǒng)的并發(fā)程度膀曾。在同一進(jìn)程中，線程的切換不會(huì)引起進(jìn)程的切換阳啥；在由一個(gè)進(jìn)程中的線程切換到另一個(gè)進(jìn)程中的線程時(shí)添谊，才會(huì)引起進(jìn)程的切換。
- 并發(fā)性：在引入線程的操作系統(tǒng)中察迟，不僅進(jìn)程之間可以并發(fā)執(zhí)行斩狱，同一個(gè)進(jìn)程的多個(gè)線程之間也可以并發(fā)執(zhí)行。因而使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性扎瓶，從而能更有效地使用系統(tǒng)資源和提高系統(tǒng)吞吐量所踊。
- 擁有資源：進(jìn)程是擁有資源的一個(gè)獨(dú)立單位，它可以擁有自己的資源概荷；而線程不擁有系統(tǒng)資源秕岛，只擁有一點(diǎn)在運(yùn)行中必不可少的資源（如程序計(jì)數(shù)器，一組寄存器和棧）
，但可以訪問(wèn)隸屬于同進(jìn)程擁有的全部資源继薛。
子進(jìn)程和父進(jìn)程有不同的代碼和數(shù)據(jù)空間修壕，而多個(gè)線程則共享數(shù)據(jù)空間，每個(gè)線程有自己的執(zhí)行堆棧和程序計(jì)數(shù)器為其執(zhí)行上下文遏考。 - 系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)：由于在創(chuàng)建或撤消進(jìn)程時(shí)慈鸠，系統(tǒng)都要為之分配或回收資源，在進(jìn)程切換時(shí)灌具，設(shè)計(jì)整個(gè)進(jìn)程當(dāng)前的CPU環(huán)境的保存以及新調(diào)度到進(jìn)程的CPU環(huán)境的設(shè)置林束，而線程切換只需保存和設(shè)置少量寄存器內(nèi)容，開(kāi)銷(xiāo)很小稽亏，而且進(jìn)程內(nèi)多個(gè)線程共享進(jìn)程地址空間、多線程之間的同步與通信非常容易實(shí)現(xiàn)缕题，甚至無(wú)需操作系統(tǒng)干預(yù)截歉。因此，操作系統(tǒng)所付出的開(kāi)銷(xiāo)將顯著地大于在創(chuàng)建或撤消線程時(shí)的開(kāi)銷(xiāo)烟零。進(jìn)程切換的開(kāi)銷(xiāo)也遠(yuǎn)大于線程切換的開(kāi)銷(xiāo)瘪松。
處理器調(diào)度
實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要的追求目標(biāo)：可靠性、及時(shí)響應(yīng)锨阿、快速處理宵睦。與追求系統(tǒng)的吞吐率、CPU 的利用效率無(wú)關(guān)墅诡。
進(jìn)程調(diào)度的方式
- 可搶占式（可剝奪式)：就緒隊(duì)列中一旦有某進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)時(shí)壳嚎，操作系統(tǒng)便立即進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度昔汉，完成進(jìn)程切換座舍。
- 不可搶占式（不可剝奪式）：即使在就緒隊(duì)列存在有某進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)時(shí)敬扛，當(dāng)前進(jìn)程仍將占用處理機(jī)執(zhí)行纵穿，直到該進(jìn)程自己進(jìn)入阻塞狀態(tài)裳涛，或時(shí)間片用完沮尿，或在執(zhí)行完系統(tǒng)調(diào)用后準(zhǔn)備返回用戶進(jìn)程前的時(shí)刻齐饮，才重新發(fā)生調(diào)度讓出處理機(jī)疮薇。
顯然姿搜，可搶占式調(diào)度可有效減少等待時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間寡润，但會(huì)帶來(lái)較大的其他管理開(kāi)銷(xiāo)，使得吞吐量等的性能指標(biāo)比不可搶占式調(diào)度要低舅柜。所以一般在桌面計(jì)算機(jī)中都支持可搶占式調(diào)度梭纹，使得用戶可以得到更好的人機(jī)交互體驗(yàn)，而在服務(wù)器領(lǐng)域不必非要可搶占式調(diào)度致份，而通常會(huì)采用不可搶占式調(diào)度栗柒，從而可提高系統(tǒng)的整體吞吐量。
處理器調(diào)度層次
- 高級(jí)調(diào)度：作業(yè)調(diào)度，本質(zhì)就是根據(jù)某種算法瞬沦，把外存上的作業(yè)調(diào)入內(nèi)存太伊，并為之創(chuàng)建進(jìn)程，掛入就緒隊(duì)列逛钻，分配處理機(jī)并執(zhí)行僚焦。執(zhí)行完后，回收資源曙痘。
一般而言芳悲，批處理系統(tǒng)中才會(huì)有高級(jí)調(diào)度。 - 中級(jí)調(diào)度：交換調(diào)度边坤，本質(zhì)就是讓暫時(shí)不能運(yùn)行的進(jìn)程掛起名扛，釋放內(nèi)存資源，并把它們調(diào)到外存上去等待茧痒。
- 低級(jí)調(diào)度：進(jìn)程調(diào)度肮韧，本質(zhì)就是根據(jù)某種算法，把處理機(jī)分配給就緒進(jìn)程隊(duì)列中的某個(gè)進(jìn)程旺订。
進(jìn)程調(diào)度首先會(huì)保存處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)弄企。將程序計(jì)數(shù)器等指定寄存器中的內(nèi)容保存到 PCB 中。然后將按照某種算法從就緒隊(duì)列中選取進(jìn)程区拳，把處理機(jī)分配給進(jìn)程拘领。最后，把指定進(jìn)程的 PCB 中的處理機(jī)現(xiàn)場(chǎng)信息恢復(fù)到處理機(jī)中樱调，處理機(jī)分配給進(jìn)程執(zhí)行约素。
調(diào)度算法目標(biāo)
1）公平；2）保持系統(tǒng)素有部分盡可能忙碌笆凌；
- 批處理：1）吞吐量业汰；2）周轉(zhuǎn)時(shí)間；3）CPU 利用率菩颖。
- 交互式：1）最小響應(yīng)時(shí)間样漆；2）均衡性。
- 實(shí)時(shí)：1）滿足截止時(shí)間晦闰；2）可預(yù)測(cè)性放祟。
調(diào)度算法（批處理、交互式呻右、實(shí)時(shí)）
- 批處理系統(tǒng)
- 先來(lái)先服務(wù)算法（FCFS)：不可搶占調(diào)度方式跪妥，優(yōu)點(diǎn)是公平，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單声滥；缺點(diǎn)是不利于短作業(yè)眉撵。
- 最短作業(yè)優(yōu)先算法（SJF）：不可搶占調(diào)度方式侦香，有效地縮短進(jìn)程的平均周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐量纽疟，但不利于長(zhǎng)進(jìn)程的運(yùn)行罐韩。
- 最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法（SRTF）：可搶占調(diào)度方式
- 最高響應(yīng)比優(yōu)先算法（HRRF）：介于先來(lái)先服務(wù)算法（只考慮了進(jìn)程的等待時(shí)間）與最短進(jìn)程優(yōu)先算法（只考慮了用戶估計(jì)的進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間）之間的一種折中算法。
根據(jù) “響應(yīng)比 =（進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間 + 進(jìn)程等待時(shí)間）/ 進(jìn)程執(zhí)行時(shí)間” 這個(gè)公式得到的響應(yīng)比來(lái)進(jìn)行調(diào)度污朽。
高響應(yīng)比優(yōu)先算法在等待時(shí)間相同的情況下散吵，作業(yè)執(zhí)行的時(shí)間越短，響應(yīng)比越高蟆肆，滿足段任務(wù)優(yōu)先矾睦，同時(shí)響應(yīng)比會(huì)隨著等待時(shí)間增加而變大，優(yōu)先級(jí)會(huì)提高炎功，能夠避免饑餓現(xiàn)象枚冗。優(yōu)點(diǎn)是兼顧長(zhǎng)短作業(yè)，缺點(diǎn)是計(jì)算響應(yīng)比開(kāi)銷(xiāo)大蛇损，適用于批處理系統(tǒng)赁温。
- 交互式系統(tǒng)
- 優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法（HPF）：在進(jìn)程等待隊(duì)列中選擇優(yōu)先級(jí)最高的來(lái)執(zhí)行。
- 輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（RR）：搶占式調(diào)度州藕，給每個(gè)進(jìn)程固定的執(zhí)行時(shí)間，根據(jù)進(jìn)程到達(dá)的先后順序讓進(jìn)程在單位時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行酝陈，執(zhí)行完成后便調(diào)度下一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行床玻，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度不考慮進(jìn)程等待時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間。
- 多級(jí)反饋隊(duì)列調(diào)度算法（MLFQ）：長(zhǎng)進(jìn)程無(wú)法長(zhǎng)期占用處理機(jī)沉帮，且系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)縮短锈死，吞吐量也不錯(cuò)（前提是沒(méi)有頻繁的短進(jìn)程）。所以 MLFQ 調(diào)度算法是一種合適不同類(lèi)型應(yīng)用特征的綜合進(jìn)程調(diào)度算法穆壕。
優(yōu)點(diǎn)是兼顧長(zhǎng)短作業(yè)待牵，有較好的響應(yīng)時(shí)間，可行性強(qiáng)喇勋，適用于各種作業(yè)環(huán)境缨该；缺點(diǎn)是平均等待時(shí)間較長(zhǎng)，上下文切換較費(fèi)時(shí)川背。適用于分時(shí)系統(tǒng)贰拿。
- 實(shí)時(shí)調(diào)度
- 硬實(shí)時(shí)（hard real time）調(diào)度：調(diào)度機(jī)制確保一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)能在指定時(shí)間前完成
- 軟實(shí)時(shí)（soft real time）調(diào)度：調(diào)度機(jī)制盡量給予關(guān)鍵任務(wù)最高優(yōu)先級(jí)，盡量在指定時(shí)間前完成
同步熄云、通信與死鎖
進(jìn)程間通信 IPC
如何傳遞消息膨更？
確保多個(gè)進(jìn)程在關(guān)鍵活動(dòng)時(shí)不會(huì)交叉
正確的順序
為什么進(jìn)程間要進(jìn)行通信
- 數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程。
- 資源共享：多個(gè)進(jìn)程間共享同樣的資源缴允。
- 通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息荚守。通知它們發(fā)送了某種事件。
- 進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有操作矗漾，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變锈候。
進(jìn)程間的通信方式
每個(gè)進(jìn)程各自有不同的用戶地址空間，任何一個(gè)進(jìn)程的全局變量在另一個(gè)進(jìn)程中都看不到缩功，所以進(jìn)程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過(guò)內(nèi)核晴及，在內(nèi)核中開(kāi)辟一塊緩沖區(qū)，進(jìn)程 1 把數(shù)據(jù)從用戶空間拷到內(nèi)核緩沖區(qū)嫡锌，進(jìn)程 2 再?gòu)膬?nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走虑稼，內(nèi)核提供的這種機(jī)制稱為進(jìn)程間通信（IPC，InterProcess Communication）势木。
進(jìn)程通信實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)程中線程之間的通信蛛倦。
進(jìn)程通信就是指進(jìn)程間的信息交換，交換信息可以使一個(gè)狀態(tài)啦桌，也可以是很多的 byte溯壶。進(jìn)程間同步互斥也存在信息的交換，因此也屬于是一種 IPC甫男，屬于是低級(jí)通信且改。該低級(jí)通信存在的問(wèn)題：1）通信的數(shù)據(jù)量太少；2）通信對(duì)用戶不透明 (數(shù)據(jù)的傳遞或者同步互斥都需要程序員實(shí)現(xiàn))
高級(jí)通信機(jī)制：
- 信號(hào)(signal)通信機(jī)制：信號(hào)是一種比較復(fù)雜的通信方式板驳，用于通知接收進(jìn)程某個(gè)事件已經(jīng)發(fā)生又跛。只能發(fā)送單個(gè)信號(hào)而不能傳送數(shù)據(jù)。
- 管道(pipeline)通信機(jī)制
- 匿名管道(pipe)：管道是一種半雙工的通信方式若治，數(shù)據(jù)只能單向流動(dòng)慨蓝，需要雙向通信時(shí)需要建立起兩個(gè)管道；而且只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間（父子進(jìn)程關(guān)系）通信端幼。
- 命名管道(FIFO)：有名管道也是半雙工的通信方式礼烈，克服了管道沒(méi)有名字的限制，它允許無(wú)親緣關(guān)系進(jìn)程間的通信婆跑。
- 消息傳遞(message passing)通信機(jī)制：消息隊(duì)列是由消息的鏈表此熬，存放在內(nèi)核中并由消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)。有足夠權(quán)限的進(jìn)程可以向隊(duì)列中添加消息滑进，被賦予讀權(quán)限的進(jìn)程則可以讀走隊(duì)列中的消息摹迷。消息隊(duì)列克服了信號(hào)傳遞信息少、管道只能承載無(wú)格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)大小受限等缺點(diǎn)郊供。
- 信號(hào)量(semaphore)通信機(jī)制：信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器峡碉，可以用來(lái)控制多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)。它常作為一種鎖機(jī)制驮审，防止某進(jìn)程正在訪問(wèn)共享資源時(shí)鲫寄，其他進(jìn)程也訪問(wèn)該資源吉执。因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程內(nèi)不同線程之間的同步手段地来。
- 共享內(nèi)存(shared memory)通信機(jī)制：共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問(wèn)的內(nèi)存戳玫，這段共享內(nèi)存由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建，但多個(gè)進(jìn)程都可以訪問(wèn)未斑。共享內(nèi)存是最快的 IPC 方式咕宿，它是針對(duì)其他進(jìn)程間通信方式運(yùn)行效率低而專門(mén)設(shè)計(jì)的。它往往與其他通信機(jī)制蜡秽，如信號(hào)兩府阀，配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和通信芽突。
- 套接字(socket)通信機(jī)制：套解口也是一種進(jìn)程間通信機(jī)制试浙，與其他通信機(jī)制不同的是，它可用于不同及其間的進(jìn)程通信寞蚌。
進(jìn)程間通信 IPC (InterProcess Communication)
信號(hào)通信機(jī)制
信號(hào)機(jī)制是unix系統(tǒng)中最為古老的進(jìn)程間通信機(jī)制田巴，很多條件可以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)：
- 當(dāng)用戶按某些鍵時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)挟秤；
- 硬件異常產(chǎn)生信號(hào)壹哺，這些情況通常由硬件檢測(cè)到；
- 進(jìn)程用kill函數(shù)將信號(hào)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程艘刚；
- 用戶可用kill命令將信號(hào)發(fā)送給其它進(jìn)程管宵。
缺點(diǎn)：開(kāi)銷(xiāo)太大，發(fā)送進(jìn)程需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用昔脯，這時(shí)核心會(huì)中斷接收進(jìn)程啄糙，且要管理它的堆棧笛臣、調(diào)用處理程序云稚、恢復(fù)被中斷的接收信號(hào)進(jìn)程等。另外信號(hào)的數(shù)量受到限制沈堡，并且只能傳送有限的信息量静陈，例如不能攜帶參數(shù)等，所以對(duì)于復(fù)雜的通信操作不適用诞丽。
管道通信機(jī)制
匿名管道通信
特點(diǎn)：
- 管道是半雙工的鲸拥，數(shù)據(jù)只能向一個(gè)方向流動(dòng)；需要雙方通信時(shí)僧免，需要建立起兩個(gè)管道刑赶；
- 只能在具有公共祖先的兩個(gè)進(jìn)程之間使用；
- 一個(gè)進(jìn)程向管道中寫(xiě)的內(nèi)容被管道另一端的進(jìn)程讀出懂衩。寫(xiě)入的內(nèi)容每次都添加在管道緩沖區(qū)的末尾撞叨，并且每次都是從緩沖區(qū)的頭部讀出數(shù)據(jù)金踪。如果讀進(jìn)程不讀走管道緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，那么寫(xiě)操作將阻塞牵敷。
- 管道內(nèi)部提供了同步機(jī)制
- 父進(jìn)程調(diào)用 pipe 開(kāi)辟管道胡岔，得到兩個(gè)文件描述符指向管道的兩端。
- 父進(jìn)程調(diào)用 fork 創(chuàng)建子進(jìn)程靶瘸，那么子進(jìn)程也有兩個(gè)文件描述符指向同一管道。
- 父進(jìn)程關(guān)閉管道寫(xiě)端毛肋，子進(jìn)程關(guān)閉管道讀端怨咪。子進(jìn)程可以往管道里寫(xiě)，父進(jìn)程可以從管道里讀村生，管道是用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的惊暴，數(shù)據(jù)從寫(xiě)端流入從讀端流出，這樣就實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程間通信趁桃。
在 linux 下辽话，管道被非常廣泛地使用，一般在編程中我們實(shí)現(xiàn)了 popen 等的應(yīng)用即可提供管道功能卫病。而在命令行中使用地也非常多油啤，| 就是最為典型的管道的應(yīng)用例子。shell 會(huì)為 | 符號(hào)兩側(cè)的命令各創(chuàng)建一個(gè)腳本蟀苛，將左側(cè)的輸出管道與右側(cè)的輸入管道進(jìn)行連接益咬，可以進(jìn)行單向管道通信。 比如我們使用 go env 來(lái)確認(rèn) go 語(yǔ)言的環(huán)境變量帜平，然后使用 grep 從中確認(rèn)出 GOROOT 環(huán)境變量的值一般會(huì)如下這樣做：go env | grep GOROOT幽告。
實(shí)現(xiàn)的過(guò)程其實(shí)是： go env 會(huì)啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程， 而 grep 命令也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)程裆甩，grep 的進(jìn)程會(huì)在 go env 的標(biāo)準(zhǔn)輸出中進(jìn)行檢索 GOROOT 的行的信息然后顯示出來(lái)冗锁，而負(fù)責(zé)這兩個(gè)進(jìn)程間的通信的正是管道。 在 c 語(yǔ)言中嗤栓，我們需要父進(jìn)程中進(jìn)行 fork 以及對(duì)父進(jìn)程的基本信息進(jìn)行處理冻河，同時(shí)初期化連接的管道信息從而實(shí)現(xiàn)管道通信。接下來(lái)茉帅，我們來(lái)看一下在 go 語(yǔ)言中是如何實(shí)現(xiàn)的
命名管道
FIFO 是一種先進(jìn)先出的隊(duì)列叨叙。它類(lèi)似于一個(gè)管道，只允許數(shù)據(jù)的單向流動(dòng)堪澎。每個(gè)FIFO 都有一個(gè)名字擂错，允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一個(gè) FIFO。因此也成為命名管道樱蛤。
命名管道 (NamedPipe) 是服務(wù)器進(jìn)程和一個(gè)或多個(gè)客戶進(jìn)程之間通信的單向或雙向管道钮呀。不同于匿名管道的是：命名管道可以在不相關(guān)的進(jìn)程之間和不同計(jì)算機(jī)之間使用桃犬，服務(wù)器建立命名管道時(shí)給它指定一個(gè)名字，任何進(jìn)程都可以通過(guò)該名字打開(kāi)管道的另一端行楞，根據(jù)給定的權(quán)限和服務(wù)器進(jìn)程通信攒暇。命名管道提供了相對(duì)簡(jiǎn)單的編程接口，使通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)并不比同一計(jì)算機(jī)上兩進(jìn)程之間通信更困難子房，不過(guò)如果要同時(shí)和多個(gè)進(jìn)程通信它就力不從心了形用。
命名管道不同與管道只能在具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信了。它提供了一個(gè)路徑名與之關(guān)聯(lián)证杭，有了自己的傳輸格式田度。
命名管道和管道的不同之處還有一點(diǎn)是, 有名管道是個(gè)設(shè)備文件，存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中解愤，沒(méi)有親緣關(guān)系的進(jìn)程也可以訪問(wèn)镇饺，但是它要按照先進(jìn)先出的原則讀取數(shù)據(jù)。同樣也是單雙工的送讲。
消息傳遞通信機(jī)制
消息隊(duì)列實(shí)際上就是一個(gè)鏈表奸笤，而消息就是鏈表中具有特定格式和優(yōu)先級(jí)的記錄，對(duì)消息隊(duì)列有寫(xiě)權(quán)限的進(jìn)程可以根據(jù)一定規(guī)則在消息鏈表中添加消息哼鬓，對(duì)消息隊(duì)列有讀權(quán)限的進(jìn)程則可以從消息隊(duì)列中獲得所需的信息监右。
在某個(gè)進(jìn)程往一個(gè)消息隊(duì)列寫(xiě)入消息之前，并不需要另外某個(gè)進(jìn)程在該隊(duì)列上等待消息的到達(dá)异希。這跟命名管道是不同的健盒，對(duì)后者來(lái)說(shuō)，除非讀端已經(jīng)存在称簿，否則寫(xiě)端的打開(kāi)管道操作會(huì)一直阻塞扣癣。此外，管道和命名管道都是隨進(jìn)程持續(xù)的憨降，而消息隊(duì)列還有后面的信號(hào)量父虑、共享內(nèi)存都是隨內(nèi)核持續(xù)的。也就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)管道或 FIFO 的最后一次關(guān)閉發(fā)生時(shí)券册，仍在該管道或 FIFO 上的數(shù)據(jù)將被丟棄频轿。而對(duì)于消息隊(duì)列來(lái)說(shuō)垂涯，除非內(nèi)核自舉或顯式刪除烁焙，否則其一直存在。
與命名管道相比耕赘，消息隊(duì)列的優(yōu)勢(shì)在于：
- 消息隊(duì)列可以獨(dú)立于發(fā)送和接收進(jìn)程而存在骄蝇，從而消除了在同步命名管道的打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)可能產(chǎn)生的困難。
- 同時(shí)通過(guò)發(fā)送消息還可以避免命名管道的同步和阻塞問(wèn)題操骡，不需要由進(jìn)程自己來(lái)提供同步方法九火。
- 接收程序可以通過(guò)消息類(lèi)型有選擇地接收數(shù)據(jù)赚窃，而不是像命名管道中那樣，只能默認(rèn)地接收岔激。
信號(hào)量通信機(jī)制
為了防止出現(xiàn)因多個(gè)程序同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)共享資源而引發(fā)的一系列問(wèn)題勒极，我們需要一種方法，它可以通過(guò)生成并使用令牌來(lái)授權(quán)虑鼎，在任一時(shí)刻只能有一個(gè)執(zhí)行線程訪問(wèn)代碼的臨界區(qū)域辱匿。而信號(hào)量就可以提供這樣的一種訪問(wèn)機(jī)制，讓一個(gè)臨界區(qū)同一時(shí)間只有一個(gè)線程在訪問(wèn)它炫彩，也就是說(shuō)信號(hào)量是用來(lái)協(xié)調(diào)進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)的匾七。
信號(hào)量是一個(gè)特殊的變量，程序?qū)ζ湓L問(wèn)都是原子操作江兢，且只允許對(duì)它進(jìn)行等待和發(fā)送操作昨忆，也即 P(sv) 和 V(sv)，他們的行為是這樣的：
- P(sv)：如果 sv 的值大于零杉允，就給它減 1邑贴；如果它的值為零，就掛起該進(jìn)程的執(zhí)行叔磷；
- V(sv)：如果有其他進(jìn)程因等待 sv 而被掛起痢缎，就讓它恢復(fù)運(yùn)行，如果沒(méi)有進(jìn)程因等待 sv 而掛起世澜，就給它加 1独旷。
最簡(jiǎn)單的信號(hào)量是只能取 0 和 1 的變量，這也是信號(hào)量最常見(jiàn)的一種形式寥裂，叫做互斥信號(hào)量嵌洼，可以取多個(gè)正整數(shù)的信號(hào)量被稱為通用信號(hào)量。
舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)封恰，如果兩個(gè)進(jìn)程共享互斥信號(hào)量 sv麻养，一旦其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行了 P(sv) 操作，它將得到信號(hào)量诺舔，并可以進(jìn)入臨界區(qū)鳖昌，使 sv 減 1。而第二個(gè)進(jìn)程將被阻止進(jìn)入臨界區(qū)低飒，因?yàn)楫?dāng)它試圖執(zhí)行 P(sv) 時(shí)许昨，sv 為 0，它會(huì)被掛起以等待第一個(gè)進(jìn)程離開(kāi)臨界區(qū)域并執(zhí)行 V(sv) 釋放信號(hào)量褥赊，這時(shí)第二個(gè)進(jìn)程就可以恢復(fù)執(zhí)行糕档。
共享內(nèi)存通信機(jī)制
共享內(nèi)存就是允許兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一個(gè)邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種最有效的方式拌喉，不同進(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存速那。進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中俐银，所有進(jìn)程都可以訪問(wèn)共享內(nèi)存中的地址，就好像它們是由用 C 語(yǔ)言函數(shù) malloc 分配的內(nèi)存一樣端仰。而如果某個(gè)進(jìn)程向共享內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)捶惜，所做的改動(dòng)將立即影響到可以訪問(wèn)同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。
注意共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制荔烧，也就是說(shuō)售躁，在第一個(gè)進(jìn)程結(jié)束對(duì)共享內(nèi)存的寫(xiě)操作之前，并無(wú)自動(dòng)機(jī)制可以阻止第二個(gè)進(jìn)程開(kāi)始對(duì)它進(jìn)行讀取茴晋。所以通常需要用其他的機(jī)制來(lái)同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)陪捷，例如前面說(shuō)到的信號(hào)量。
采用共享內(nèi)存通信的一個(gè)顯而易見(jiàn)的好處是效率高诺擅，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫(xiě)內(nèi)存把沼，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝五嫂。對(duì)于像管道和消息隊(duì)列等通信方式讼育，則需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝牺蹄，而共享內(nèi)存則只拷貝兩次數(shù)據(jù)：一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件撮执。
套接字通信機(jī)制
Socket 通信微峰，不僅僅是一臺(tái)主機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程可以進(jìn)行通信，還可以讓處在因特網(wǎng)中的兩個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信抒钱。在兩個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信的時(shí)候蜓肆，首先本地的進(jìn)程在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)綁定一個(gè)端口，然后我們本地為該進(jìn)程生成一個(gè)緩沖區(qū)谋币，返回一個(gè)值仗扬，即為 socket 作為對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，每當(dāng)本地進(jìn)程和遠(yuǎn)程一個(gè)進(jìn)程建立連接的時(shí)候蕾额，就會(huì)根據(jù)遠(yuǎn)程進(jìn)程的信息和本地進(jìn)程的信息生成一個(gè) socket早芭，然后雙方借助于 socket 就可以進(jìn)行通信，運(yùn)輸層得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入 socket 標(biāo)志的緩沖區(qū)诅蝶，然后在里面進(jìn)行相應(yīng)的操作之后將其提交給網(wǎng)絡(luò)層退个。相比其它的幾種處理方式，該中方式比較麻煩调炬。多于服務(wù)端语盈，通過(guò) listen 阻塞監(jiān)聽(tīng)，監(jiān)聽(tīng)到有連接請(qǐng)求筐眷，通過(guò) accept 函數(shù)得到一個(gè)本地與之對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)黎烈，然后創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程用來(lái)和該連接進(jìn)行交互习柠，然后通過(guò) receive 來(lái)接收信息匀谣。
解決并發(fā)的方案
需要滿足 4 個(gè)條件：
- 空閑讓進(jìn)
- 忙則等待
- 有限等待
- 讓權(quán)等待（阻塞的進(jìn)程把 CPU 讓給其他進(jìn)程）
經(jīng)典的進(jìn)程同步問(wèn)題
生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者問(wèn)題照棋；哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題；讀者 - 寫(xiě)者問(wèn)題
死鎖
死鎖的概念
死鎖：當(dāng)某進(jìn)程提出資源申請(qǐng)后武翎，使得系統(tǒng)中一些進(jìn)程處于無(wú)休止的阻塞狀態(tài)烈炭，在無(wú)外力作用下，永遠(yuǎn)不能再繼續(xù)前進(jìn)宝恶。
產(chǎn)生死鎖的根本原因：資源有限且操作不當(dāng)符隙。
產(chǎn)生死鎖的必要條件
- 互斥條件：某段時(shí)間內(nèi)某資源只能由一個(gè)進(jìn)程使用。
- 占有和等待條件：進(jìn)程因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)垫毙，對(duì)已分配給它的資源保持不放霹疫。
- 不剝奪條件：資源在未使用完前，不能被剝奪综芥，由使用進(jìn)程釋放丽蝎。
- 循環(huán)等待條件：發(fā)生死鎖時(shí)，有向圖必構(gòu)成一環(huán)路膀藐。
解決死鎖的方法
死鎖防止：破壞四個(gè)條件
死鎖避免：銀行家算法
死鎖的檢測(cè)和恢復(fù)：死鎖檢測(cè)算法
死鎖例題
- 一個(gè)計(jì)算機(jī)有 6 臺(tái)可互換使用的磁帶機(jī)屠阻，由 n 個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)使用，每一個(gè)進(jìn)程在一段時(shí)間內(nèi)需要獨(dú)占兩臺(tái)磁帶機(jī)進(jìn)行使用额各，n 最多為 5 時(shí)系統(tǒng)一定不會(huì)發(fā)生死鎖国觉。
這種題的解法一般都是從最壞的角度出發(fā)：即假設(shè)有很多進(jìn)程來(lái)申請(qǐng)磁帶機(jī)，假設(shè)已經(jīng)有 5 個(gè)進(jìn)程虾啦，一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)了一個(gè)磁帶機(jī)麻诀，那么還剩下一個(gè)磁帶機(jī)，此時(shí)剛剛的 5 個(gè)進(jìn)程中的任意一個(gè)還可以再申請(qǐng)一個(gè)磁帶機(jī)即可滿足運(yùn)行條件傲醉。但是如果一開(kāi)始就有 6 個(gè)進(jìn)程针饥，一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)一個(gè)磁帶機(jī)的話，那么就沒(méi)有剩下的磁帶機(jī)了需频，所以這時(shí)候誰(shuí)都不能運(yùn)行丁眼，所以，最多不能超過(guò) 5 個(gè)昭殉。
- 某系統(tǒng)中有 11 臺(tái)打印機(jī)苞七，N 個(gè)進(jìn)程共享打印機(jī)資源，每個(gè)進(jìn)程要求 3 臺(tái)挪丢，當(dāng) N 不超過(guò) 5 時(shí)蹂风，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生死鎖。
思路和上面的一樣乾蓬，考慮最壞的情況惠啄，有 5 個(gè)進(jìn)程均申請(qǐng)了 2 臺(tái)打印機(jī)，那么此時(shí) 5 個(gè)進(jìn)程中的任一進(jìn)程再申請(qǐng)一臺(tái)打印機(jī)即可正常運(yùn)行。但是如果 N=6撵渡，那么假設(shè)有 5 個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)了 2 臺(tái)打印機(jī)融柬，一個(gè)進(jìn)程申請(qǐng)了一臺(tái)打印機(jī)，此時(shí)已經(jīng)沒(méi)有剩余的打印機(jī)了趋距，現(xiàn)在誰(shuí)都不能繼續(xù)運(yùn)行粒氧。
多道程序設(shè)計(jì)中，進(jìn)程間存在的制約關(guān)系有哪些节腐？
同步：某一進(jìn)程收不到另一進(jìn)程給他的必要信息外盯，就不能繼續(xù)運(yùn)行下去，這種制約關(guān)系源于進(jìn)程間的合作翼雀。 互斥：某一進(jìn)程要求使用某資源饱苟，而該資源正被另一進(jìn)程使用，并且這以資源不許兩進(jìn)程同時(shí)使用狼渊，那么進(jìn)程只好等占用資源進(jìn)程釋放資源后才能占有使用掷空。
高級(jí)通信機(jī)制與低級(jí)通信機(jī)制PV操作的區(qū)別是什么？簡(jiǎn)述消息緩沖隊(duì)列的工作原理囤锉。
PV操作時(shí)指進(jìn)程之間通過(guò)共享變量實(shí)現(xiàn)信息傳遞坦弟；而高級(jí)通信機(jī)制是由系統(tǒng)提供發(fā)送（sender）與接收（receive）兩個(gè)操作，進(jìn)程間通過(guò)這兩個(gè)操作進(jìn)行通信官地，無(wú)需貢獻(xiàn)任何變量酿傍。基本原理：操作系統(tǒng)管理一個(gè)用于進(jìn)程通信的緩沖池驱入，其中的每一個(gè)緩沖區(qū)單元咳存放一條信息赤炒。發(fā)送消息時(shí)，發(fā)送者從中申請(qǐng)一個(gè)可用緩沖區(qū)亏较，接受者取出一條信息時(shí)再釋放該緩沖區(qū)莺褒，每個(gè)進(jìn)程均設(shè)置一條消息隊(duì)列，任何發(fā)送給該進(jìn)程的消息均暫存在其中雪情。
存儲(chǔ)管理
存儲(chǔ)器工作原理
存儲(chǔ)器功能
- 存儲(chǔ)分配與回收：為每道程序分配內(nèi)存空間遵岩；提高內(nèi)存利用率；允許動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存空間巡通。
- 地址映射：在多道程序環(huán)境下尘执，程序中的邏輯地址與內(nèi)存中的物理地址不可能一致，因此必須提供地址變換功能宴凉，將用戶的邏輯地址轉(zhuǎn)換成主存的物理地址誊锭，實(shí)現(xiàn)重定位，確保程序正常運(yùn)行弥锄。
- 存儲(chǔ)保護(hù)：每道程序都只在自己的內(nèi)存空間內(nèi)運(yùn)行丧靡，互不干擾蟆沫。
- 存儲(chǔ)共享：
- 存儲(chǔ)擴(kuò)充：借助于虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，從邏輯上去擴(kuò)充內(nèi)存容量温治。
程序裝入和鏈接
創(chuàng)建進(jìn)程首先要將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存饭庞。將用戶源程序變?yōu)榭稍趦?nèi)存中執(zhí)行的程序，通常需要以下幾個(gè)步驟：
編譯：由編譯程序?qū)⒂脩粼创a編譯成若干個(gè)目標(biāo)模塊罐盔。
鏈接：由鏈接程序?qū)⒕幾g后形成的一組目標(biāo)模塊但绕，以及所需庫(kù)函數(shù)鏈接在一起救崔，形成一個(gè)完整的裝入模塊惶看。
裝入：由裝入程序?qū)⒀b入模塊裝入內(nèi)存運(yùn)行。
重定位
重定位的概念
由于一個(gè)作業(yè)裝入到與其地址空間不一致的存儲(chǔ)空間六孵，對(duì)有關(guān)地址部分的調(diào)整過(guò)程稱為重定位∥忱瑁現(xiàn)在一般計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中都采用動(dòng)態(tài)重定位方法。
為什么要重定位劫窒？
我們寫(xiě)正常程序的時(shí)候根本不用去關(guān)心變量的位置本今，因?yàn)樵闯绦蛟诰幾g的時(shí)候它的內(nèi)存中的位置郡被計(jì)算好了。程序裝入內(nèi)存時(shí)主巍，系統(tǒng)不會(huì)為它重定位冠息。我們需要用到變量 的時(shí)候直接用變量名訪問(wèn)它就行了。有的程序不可避免也要用到變量孕索，各個(gè)變量 在內(nèi)存中的位置自然也不相同逛艰。既然這些變量沒(méi)有固定的地址，那么程序在運(yùn)行的過(guò)程中只有重定位搞旭，才可以正常地訪問(wèn)相關(guān)資源散怖。
重定位方式
對(duì)程序進(jìn)行重定位的技術(shù)按重定位的時(shí)機(jī)可分為兩種：靜態(tài)重定位和動(dòng)態(tài)重定位。
-
靜態(tài)重定位：是在目標(biāo)程序裝入內(nèi)存時(shí)肄渗，由裝入程序?qū)δ繕?biāo)程序中的指令和數(shù)據(jù)的地址進(jìn)行修改镇眷，即把程序的邏輯地址都改成實(shí)際的地址。對(duì)每個(gè)程序來(lái)說(shuō)翎嫡，這種地址變換只是在裝入時(shí)一次完成欠动，在程序運(yùn)行期間不再進(jìn)行重定位。
- 優(yōu)點(diǎn)：是無(wú)需增加硬件地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)惑申，便于實(shí)現(xiàn)程序的靜態(tài)連接翁垂。在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中大多采用這種方案。
- 缺點(diǎn)：（1）程序的存儲(chǔ)空間只能是連續(xù)的一片區(qū)域硝桩，而且在重定位之后就不能再移動(dòng)沿猜。這不利于內(nèi)存空間的有效使用。（2）各個(gè)用戶進(jìn)程很難共享內(nèi)存中的同一程序的副本碗脊。
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動(dòng)態(tài)重定位：是在程序執(zhí)行期間每次訪問(wèn)內(nèi)存之前進(jìn)行重定位啼肩，即逐條指令執(zhí)行時(shí)完成地址轉(zhuǎn)換橄妆。這種變換是靠硬件地址變換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。通常采用一個(gè)重定位寄存器祈坠，其中放有當(dāng)前正在執(zhí)行的程序在內(nèi)存空間中的起始地址害碾，而地址空間中的代碼在裝入過(guò)程中不發(fā)生變化。
- 優(yōu)點(diǎn)：（1）程序占用的內(nèi)存空間動(dòng)態(tài)可變赦拘，不必連續(xù)存放在一處慌随。（2）比較容易實(shí)現(xiàn)幾個(gè)進(jìn)程對(duì)同一程序副本的共享使用。
- 缺點(diǎn)：是需要附加的硬件支持躺同，增加了機(jī)器成本阁猜，而且實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理的軟件算法比較復(fù)雜。
動(dòng)態(tài)重定位是在作業(yè)運(yùn)行時(shí)執(zhí)行到一條訪存指令時(shí)再把邏輯地址轉(zhuǎn)換為主存中的物理地址蹋艺，實(shí)際中是通過(guò)硬件地址轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)的剃袍。
連續(xù)存儲(chǔ)管理
單一連續(xù)存儲(chǔ)管理
在這種管理方式中，內(nèi)存被分為兩個(gè)區(qū)域：系統(tǒng)區(qū)和用戶區(qū)捎谨。應(yīng)用程序裝入到用戶區(qū)民效，可使用用戶區(qū)全部空間。其特點(diǎn)是涛救，最簡(jiǎn)單畏邢，適用于單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)检吆。CP／M 和 DOS 2．0 以下就是采用此種方式舒萎。這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是易于管理。但也存在著一些問(wèn)題和不足之處咧栗，例如對(duì)要求內(nèi)存空間少的程序逆甜，造成內(nèi)存浪費(fèi)；程序全部裝入致板，使得很少使用的程序部分也占用—定數(shù)量的內(nèi)存交煞。
固定分區(qū)存儲(chǔ)管理
原理
把內(nèi)存空間劃分為數(shù)量和大小固定不變的連續(xù)分區(qū)，各分區(qū)大小不等斟或，每個(gè)分區(qū)只裝入一個(gè)作業(yè)素征，若多個(gè)分區(qū)中都裝有作業(yè)，則它們可以并發(fā)執(zhí)行萝挤，這樣就支持多道程序設(shè)計(jì)御毅。
設(shè)置一張內(nèi)存分配表，記錄內(nèi)存中劃分的分區(qū)及其使用情況怜珍。內(nèi)存分配表指出各分區(qū)起始地址和長(zhǎng)度端蛆，占用標(biāo)志用來(lái)指示此分區(qū)是否被使用。
內(nèi)存分配時(shí)總是選擇那些占用標(biāo)志為0的未被占用分區(qū)酥泛，當(dāng)某分區(qū)被分配給一個(gè)長(zhǎng)度小于等于分區(qū)長(zhǎng)度的作業(yè)后今豆，則在占用標(biāo)志中填入占用此分區(qū)的作業(yè)名嫌拣。
當(dāng)分區(qū)中的程序執(zhí)行結(jié)束歸還內(nèi)存區(qū)時(shí)，相應(yīng)分區(qū)的占用標(biāo)志置0呆躲，其占用的分區(qū)又變成空閑异逐，可被重新分配使用。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)插掂，開(kāi)銷(xiāo)谢艺啊；能解決單道程序運(yùn)行在并發(fā)環(huán)境下與CPU速度不匹配且內(nèi)存空間利用率低的問(wèn)題辅甥。
缺點(diǎn)：內(nèi)碎片問(wèn)題酝润；存儲(chǔ)器利用率極低；大作業(yè)無(wú)法裝入肆氓；分區(qū)總數(shù)固定袍祖，很難動(dòng)態(tài)擴(kuò)充內(nèi)存空間底瓣；分區(qū)數(shù)目在系統(tǒng)初始化時(shí)指定谢揪，限制了并發(fā)執(zhí)行的程序數(shù)目。
可變分區(qū)存儲(chǔ)管理
原理
動(dòng)態(tài)創(chuàng)建分區(qū)：在裝入程序時(shí)按其初始要求分配捐凭，或在其執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)作業(yè)大小通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行分配或改變分區(qū)大小拨扶。
動(dòng)態(tài)分區(qū)的分區(qū)分配就是尋找某個(gè)空閑分區(qū)，其大小需大于或等于程序的要求茁肠。若是大于要求患民，則將該分區(qū)分割成兩個(gè)分區(qū)，其中一個(gè)分區(qū)為要求的大小并標(biāo)記為 “占用”垦梆，而另一個(gè)分區(qū)為余下部分并標(biāo)記為 “空閑”匹颤。分區(qū)分配的先后次序通常是從內(nèi)存低端到高端。動(dòng)態(tài)分區(qū)的分區(qū)釋放過(guò)程中有一個(gè)要注意的問(wèn)題是托猩，將相鄰的空閑分區(qū)合并成一個(gè)大的空閑分區(qū)印蓖。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有內(nèi)碎片。
缺點(diǎn)：外碎片問(wèn)題京腥。
可變分區(qū)分配算法
- 最先適應(yīng)法(first fit)：按分區(qū)在內(nèi)存的先后次序從頭查找赦肃，找到符合要求的第一個(gè)分區(qū)進(jìn)行分配。該算法的分配和釋放的時(shí)間性能較好公浪，較大的空閑分區(qū)可以被保留在內(nèi)存高端他宛。但隨著低端分區(qū)不斷劃分會(huì)產(chǎn)生較多小分區(qū)，每次分配時(shí)查找時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)便會(huì)增大欠气。
- 下次適應(yīng)法(next fit)：按分區(qū)在內(nèi)存的先后次序從上次分配的分區(qū)起查找厅各，找到符合要求的第一個(gè)分區(qū)進(jìn)行分配。該算法的分配和釋放的時(shí)間性能較好预柒，使空閑分區(qū)分布得更均勻队塘，但較大空閑分區(qū)不易保留琐鲁。
- 最優(yōu)適應(yīng)法(best fit)：按分區(qū)在內(nèi)存的先后次序從頭查找，找到其大小與要求相差最小的空閑分區(qū)進(jìn)行分配人灼。從個(gè)別來(lái)看围段，外碎片較小投放；但從整體來(lái)看奈泪，會(huì)形成較多外碎片優(yōu)點(diǎn)是較大的空閑分區(qū)可以被保留。
- 最壞適應(yīng)法(worst fit)：按分區(qū)在內(nèi)存的先后次序從頭查找灸芳，找到最大的空閑分區(qū)進(jìn)行分配涝桅。基本不留下小空閑分區(qū)烙样，不易形成外碎片冯遂。但由于較大的空閑分區(qū)不被保留，當(dāng)對(duì)內(nèi)存需求較大的進(jìn)程需要運(yùn)行時(shí)谒获，其要求不易被滿足蛤肌。
- 快速應(yīng)法 (quick fit)：為那些經(jīng)常用到的長(zhǎng)度的空閑區(qū)設(shè)立單獨(dú)的空閑區(qū)鏈表。
內(nèi)存不足的存儲(chǔ)管理技術(shù)（碎片整理）
- 移動(dòng)技術(shù)：把已在內(nèi)存中的進(jìn)程分區(qū)連接到一起批狱，使分散的空閑區(qū)匯集成片裸准，也叫內(nèi)存緊湊。
- 對(duì)換技術(shù)：在某個(gè)進(jìn)程在不被使用（阻塞）或在CPU調(diào)度原則下被剝奪運(yùn)行權(quán)利的時(shí)候赔硫，被暫時(shí)移出內(nèi)存炒俱，騰出空間給其他進(jìn)程使用，同時(shí)交換到磁盤(pán)中爪膊，此時(shí)處于就緒狀態(tài)权悟，需要時(shí)再加載回來(lái)。
- 覆蓋技術(shù)：一個(gè)程序的幾個(gè)代碼段或數(shù)據(jù)段推盛，按照時(shí)間先后來(lái)占用公共的內(nèi)存空間峦阁。將程序必要部分(常用功能)的代碼和數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存；可選部分(不常用功能)平時(shí)存放在外存(覆蓋文件)中小槐，在需要時(shí)才裝入內(nèi)存拇派。不存在調(diào)用關(guān)系的模塊不必同時(shí)裝入到內(nèi)存，從而可以相互覆蓋凿跳。
交換技術(shù)主要是在不同進(jìn)程（或作業(yè)）之間進(jìn)行件豌，而覆蓋則用于同一個(gè)程序或進(jìn)程中。由于覆蓋技術(shù)要求給出程序段之間的覆蓋結(jié)構(gòu)控嗜，使得其對(duì)用戶和程序員不透明茧彤，所以對(duì)于主存無(wú)法存放用戶程序的矛盾，現(xiàn)代操作系統(tǒng)是通過(guò)虛擬內(nèi)存技術(shù)來(lái)解決的疆栏，覆蓋技術(shù)則已成為歷史曾掂；而交換技術(shù)在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中仍具有較強(qiáng)的生命力惫谤。
分頁(yè)存儲(chǔ)管理
非連續(xù)分配允許一個(gè)程序分散地裝入到不相鄰的內(nèi)存分區(qū)中，根據(jù)分區(qū)的大小是否固定分為分頁(yè)存儲(chǔ)管理方式和分段存儲(chǔ)管理方式珠洗。
原理
- 將用戶進(jìn)程地址空間（進(jìn)程的虛擬空間）劃分為大小相等的部分溜歪，稱為“頁(yè)”或“頁(yè)面”。
- 將內(nèi)存空間按同樣的大小劃分為大小相等的部分许蓖，稱為“頁(yè)框”或“物理頁(yè)”蝴猪。
- 然后把頁(yè)式虛擬地址與內(nèi)存地址建立一一對(duì)應(yīng)的頁(yè)表，并用相應(yīng)的硬件地址轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)來(lái)解決離散地址變換問(wèn)題膊爪。
- 內(nèi)存分配規(guī)則：以頁(yè)為單位進(jìn)行分配自阱，并按進(jìn)程需要的頁(yè)數(shù)來(lái)分配。邏輯上相鄰的頁(yè)物理上不一定相鄰米酬。
- 頁(yè)式管理采用請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和預(yù)調(diào)頁(yè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外存存儲(chǔ)器的統(tǒng)一管理沛豌。
把主存空間劃分為大小相等且固定的塊，塊相對(duì)較小赃额，作為主存的基本單位加派。每個(gè)進(jìn)程也以塊為單位進(jìn)行劃分，進(jìn)程在執(zhí)行時(shí)爬早，以塊為單位逐個(gè)申請(qǐng)主存中的塊空間哼丈。
因?yàn)槌绦驍?shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的頁(yè)面中启妹，而頁(yè)面又離散的分布在內(nèi)存中筛严，因此需要一個(gè)頁(yè)表來(lái)記錄邏輯地址和實(shí)際存儲(chǔ)地址之間的映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)從頁(yè)號(hào)到物理塊號(hào)的映射饶米。
由于頁(yè)表也是存儲(chǔ)在內(nèi)存中的桨啃，因此和不適用分頁(yè)管理的存儲(chǔ)方式相比，訪問(wèn)分頁(yè)系統(tǒng)中內(nèi)存數(shù)據(jù)需要兩次的內(nèi)存訪問(wèn) (一次是從內(nèi)存中訪問(wèn)頁(yè)表檬输，從中找到指定的物理塊號(hào)照瘾，加上頁(yè)內(nèi)偏移得到實(shí)際物理地址；第二次就是根據(jù)第一次得到的物理地址訪問(wèn)內(nèi)存取出數(shù)據(jù))丧慈。
為了減少兩次訪問(wèn)內(nèi)存導(dǎo)致的效率影響析命，分頁(yè)管理中引入了快表機(jī)制，包含快表機(jī)制的內(nèi)存管理中逃默，當(dāng)要訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候鹃愤，首先將頁(yè)號(hào)在快表中查詢，如果查找到說(shuō)明要訪問(wèn)的頁(yè)表項(xiàng)在快表中完域，那么直接從快表中讀取相應(yīng)的物理塊號(hào)软吐；如果沒(méi)有找到，那么訪問(wèn)內(nèi)存中的頁(yè)表吟税，從頁(yè)表中得到物理地址凹耙，同時(shí)將頁(yè)表中的該映射表項(xiàng)添加到快表中 (可能存在快表?yè)Q出算法)姿现。
在某些計(jì)算機(jī)中如果內(nèi)存的邏輯地址很大，將會(huì)導(dǎo)致程序的頁(yè)表項(xiàng)會(huì)很多肖抱，而頁(yè)表在內(nèi)存中是連續(xù)存放的备典，所以相應(yīng)的就需要較大的連續(xù)內(nèi)存空間。為了解決這個(gè)問(wèn)題意述，可以采用兩級(jí)頁(yè)表或者多級(jí)頁(yè)表的方法熊经，其中外層頁(yè)表一次性調(diào)入內(nèi)存且連續(xù)存放，內(nèi)層頁(yè)表離散存放欲险。相應(yīng)的訪問(wèn)內(nèi)存頁(yè)表的時(shí)候需要一次地址變換镐依，訪問(wèn)邏輯地址對(duì)應(yīng)的物理地址的時(shí)候也需要一次地址變換，而且一共需要訪問(wèn)內(nèi)存 3 次才可以讀取一次數(shù)據(jù)天试。
快表
什么是快表槐壳？它在地址轉(zhuǎn)換中起什么作用？
快表是一個(gè)高速喜每、具有并行查詢能力的聯(lián)想存儲(chǔ)器务唐，用于存放正運(yùn)行的進(jìn)程的當(dāng)前頁(yè)號(hào)和塊號(hào)，或者段號(hào)和段起始地址带兜。
加入快表后,在地址轉(zhuǎn)換時(shí)枫笛，首先在快表中查找，若找到就直接進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換刚照；未找到刑巧，則在主存頁(yè)表繼續(xù)查找，并把查到的頁(yè)號(hào)和塊號(hào)放入聯(lián)想存儲(chǔ)器中无畔“〕快表的命中率很高，有效地提高了地址轉(zhuǎn)換的速度浑彰。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有外碎片恭理，每個(gè)內(nèi)碎片不超過(guò)頁(yè)的大小。
缺點(diǎn)：程序的最后一頁(yè)會(huì)有浪費(fèi)空間的現(xiàn)象郭变，不能應(yīng)用在分段編寫(xiě)的颜价、非連續(xù)存放的大型程序中。
程序全部裝入內(nèi)存诉濒，要求有相應(yīng)的硬件支持周伦，如地址變換機(jī)構(gòu)缺頁(yè)中斷的產(chǎn)生和選擇淘汰頁(yè)面等都要求有相應(yīng)的硬件支持幕垦。增加了機(jī)器成本和系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)幢泼。
分段存儲(chǔ)管理
原理
一個(gè)用戶作業(yè)或者進(jìn)程所包含的段對(duì)應(yīng)一個(gè)二維線性虛擬空間，也就是一個(gè)二維虛擬存儲(chǔ)器竹习。
- 用戶進(jìn)程地址空間：按程序自身的邏輯關(guān)系劃分為若干個(gè)程序段，每個(gè)程序段都有一個(gè)段名狈蚤。
- 內(nèi)存空間：被動(dòng)態(tài)劃分為若干個(gè)長(zhǎng)度不相同的區(qū)域困肩，稱為“物理段”，每個(gè)物理段由起始地址和長(zhǎng)度確定脆侮。
- 內(nèi)存分配規(guī)則：以段為單位進(jìn)行分配锌畸，每段在內(nèi)存中占據(jù)連續(xù)空間，但各段之間可以不相鄰靖避。然后通過(guò)地址映射機(jī)構(gòu)把段式虛擬地址轉(zhuǎn)換為實(shí)際內(nèi)存物理地址潭枣。
分頁(yè)是為了提高內(nèi)存利用率，而分段是為了滿足程序員在編寫(xiě)代碼的時(shí)候的一些邏輯需求（比如數(shù)據(jù)共享幻捏，數(shù)據(jù)保護(hù)盆犁，動(dòng)態(tài)鏈接等）。
分段內(nèi)存管理當(dāng)中篡九，地址是二維的谐岁，一維是段號(hào)，一維是段內(nèi)地址榛臼；其中每個(gè)段的長(zhǎng)度是不一樣的伊佃，而且每個(gè)段內(nèi)部都是從 0 開(kāi)始編址的。由于分段管理中沛善，每個(gè)段內(nèi)部是連續(xù)內(nèi)存分配航揉，但是段和段之間是離散分配的，因此也存在一個(gè)邏輯地址到物理地址的映射關(guān)系金刁，相應(yīng)的就是段表機(jī)制帅涂。段表中的每一個(gè)表項(xiàng)記錄了該段在內(nèi)存中的起始地址和該段的長(zhǎng)度。段表可以放在內(nèi)存中也可以放在寄存器中胀葱。
訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)候根據(jù)段號(hào)和段表項(xiàng)的長(zhǎng)度計(jì)算當(dāng)前訪問(wèn)段在段表中的位置漠秋，然后訪問(wèn)段表，得到該段的物理地址抵屿，根據(jù)該物理地址以及段內(nèi)偏移量就可以得到需要訪問(wèn)的內(nèi)存。由于也是兩次內(nèi)存訪問(wèn)捅位，所以分段管理中同樣引入了聯(lián)想寄存器轧葛。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：可以分別編寫(xiě)和編譯，可以針對(duì)不同類(lèi)型的段采取不同的保護(hù)艇搀，可以按段為單位來(lái)進(jìn)行共享尿扯，包括通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接進(jìn)行代碼共享。
缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生碎片焰雕。
分段分頁(yè)方式的比較
頁(yè)是信息的物理單位衷笋，是出于系統(tǒng)內(nèi)存利用率的角度提出的離散分配機(jī)制；段是信息的邏輯單位矩屁，每個(gè)段含有一組意義完整的信息辟宗，是出于用戶角度提出的內(nèi)存管理機(jī)制爵赵。
頁(yè)的大小是固定的，由系統(tǒng)決定泊脐；段的大小是不確定的空幻，由用戶決定。
段頁(yè)式存儲(chǔ)管理
原理
系統(tǒng)必須為每個(gè)作業(yè)或者進(jìn)程建立一張段表以管理內(nèi)存分配與釋放容客、缺段處理等秕铛。另外由于一個(gè)段又被劃分為若干個(gè)頁(yè)，每個(gè)段必須建立一張頁(yè)表以把段中的虛頁(yè)變換為內(nèi)存中的實(shí)際頁(yè)面缩挑。顯然與頁(yè)式管理時(shí)相同但两，頁(yè)表也要有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)缺頁(yè)中斷處理和頁(yè)面保護(hù)等功能的表項(xiàng)。
優(yōu)缺點(diǎn)
段頁(yè)式管理是段式管理和頁(yè)式管理相結(jié)合而成供置，具有兩者的優(yōu)點(diǎn)镜遣。
由于管理軟件的增加，復(fù)雜性和開(kāi)銷(xiāo)也增加士袄。另外需要的硬件以及占用的內(nèi)存也有所增加悲关，使得執(zhí)行速度下降。
在分頁(yè)娄柳、分段和段頁(yè)式存儲(chǔ)管理中寓辱，當(dāng)訪問(wèn)一條指令時(shí)，需要訪問(wèn)內(nèi)存幾次各做什么操作赤拒？
在分頁(yè)和分段系統(tǒng)中秫筏，首先需要訪問(wèn)頁(yè)表或段表，然后才能訪問(wèn)實(shí)際數(shù)據(jù)挎挖，因此需要至少訪問(wèn)內(nèi)存 2 次这敬。
在段頁(yè)式存儲(chǔ)管理中，首先要訪問(wèn)段表蕉朵，最后訪問(wèn)相關(guān)段的頁(yè)表崔涂，最后才能訪問(wèn)實(shí)際數(shù)據(jù)，因此一共需訪問(wèn)內(nèi)存至少 3 次始衅。
如果采用的是多級(jí)頁(yè)表冷蚂，則訪問(wèn)次數(shù)還將增加。如果使用快表汛闸，且在快表中命中蝙茶，則只需要訪問(wèn)內(nèi)存 1 次。
在固定分區(qū)管理诸老、動(dòng)態(tài)分區(qū)管理隆夯、分頁(yè)存儲(chǔ)管理、分段存儲(chǔ)管理中，各會(huì)產(chǎn)生何種碎片蹄衷？
答：在固定分區(qū)管理中忧额，每個(gè)分區(qū)內(nèi)都可能存在碎片；
在動(dòng)態(tài)分區(qū)管理中宦芦，會(huì)存在一些很小的宙址，不足以任何應(yīng)用程序使用的小碎片； 在分頁(yè)存儲(chǔ)管理中调卑，每個(gè)應(yīng)用程序的最后一頁(yè)可能存在碎片抡砂。
在分段存儲(chǔ)管理中，可能存在小的內(nèi)存區(qū)恬涧，不足以存放應(yīng)用程序的一個(gè)連續(xù)的段注益，形成碎片。
在內(nèi)存管理中溯捆，“內(nèi)零頭” 和 “外零頭” 個(gè)指的是什么丑搔？在固定式分區(qū)分配、可變式分區(qū)分配提揍、頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)啤月、段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中，各會(huì)存在何種零頭劳跃？為什么谎仲？
解答：
在存儲(chǔ)管理中，內(nèi)零頭是指分配給作業(yè)的存儲(chǔ)空間中未被利用的部分刨仑，外零頭是指系統(tǒng)中無(wú)法利用的小存儲(chǔ)塊郑诺。
在固定式分區(qū)分配中，為將一個(gè)用戶作業(yè)裝入內(nèi)存杉武，內(nèi)存分配程序從系統(tǒng)分區(qū)表中找出一個(gè)能滿足作業(yè)要求的空閑分區(qū)分配給作業(yè)辙诞，由于一個(gè)作業(yè)的大小并不一定與分區(qū)大小相等，因此轻抱，分區(qū)中有一部分存儲(chǔ)空間浪費(fèi)掉了飞涂。由此可知，固定式分區(qū)分配中存在內(nèi)零頭十拣。
在可變式分區(qū)分配中封拧，為把一個(gè)作業(yè)裝入內(nèi)存，應(yīng)按照一定的分配算法從系統(tǒng)中找出一個(gè)能滿足作業(yè)需求的空閑分區(qū)分配給作業(yè)夭问，如果這個(gè)空閑分區(qū)的容量比作業(yè)申請(qǐng)的空間容量要大，則將該分區(qū)一分為二曹铃，一部分分配給作業(yè)缰趋，剩下的部分仍然留作系統(tǒng)的空閑分區(qū)。由此可知，可變式分區(qū)分配中存在外零頭秘血。
在頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中味抖，用戶作業(yè)的地址空間被劃分成若干大小相等的頁(yè)面，存儲(chǔ)空間也分成也頁(yè)大小相等的物理塊灰粮，但一般情況下仔涩，作業(yè)的大小不可能都是物理塊大小的整數(shù)倍，因此作業(yè)的最后一頁(yè)中仍有部分空間被浪費(fèi)掉了粘舟。由此可知熔脂，頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中存在內(nèi)零頭。在段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中柑肴，作業(yè)的地址空間由若干個(gè)邏輯分段組成霞揉，每段分配一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，但各段之間不要求連續(xù)晰骑，其內(nèi)存的分配方式類(lèi)似于動(dòng)態(tài)分區(qū)分配适秩。
由此可知，段式虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)中存在外零頭硕舆。
基本內(nèi)存管理方案小結(jié)
虛擬存儲(chǔ)管理
局部性原理
程序的局部性原理：指程序在執(zhí)行過(guò)程中的一個(gè)較短時(shí)期秽荞，所執(zhí)行的指令地址和指令的操作數(shù)地址，分別局限于一定區(qū)域抚官。這可以表現(xiàn)為：
- 時(shí)間局部性：一條指令的一次執(zhí)行和下次執(zhí)行扬跋，一個(gè)數(shù)據(jù)的一次訪問(wèn)和下次訪問(wèn)都集中在一個(gè)較短時(shí)期內(nèi)。即如果程序中的某條指令一旦執(zhí)行耗式，不久以后該指令可能再次執(zhí)行胁住；如果某數(shù)據(jù)被訪問(wèn)過(guò)，不久以后該數(shù)據(jù)可能再次被訪問(wèn)刊咳。產(chǎn)生時(shí)間局部性的典型原因彪见，是由于在程序中存在著大量的循環(huán)操作。
- 空間局部性：當(dāng)前指令和鄰近的幾條指令娱挨，當(dāng)前訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和鄰近的幾個(gè)數(shù)據(jù)都集中在一個(gè)較小區(qū)域內(nèi)余指。即一旦程序訪問(wèn)了某個(gè)存儲(chǔ)單元，在不久之后跷坝，其附近的存儲(chǔ)單元也將被訪問(wèn)酵镜，即程序在一段時(shí)間內(nèi)所訪問(wèn)的地址，可能集中在一定的范圍之內(nèi)柴钻，這是因?yàn)橹噶钔ǔＪ琼樞虼娣呕淳隆㈨樞驁?zhí)行的，數(shù)據(jù)也一般是以向量贴届、數(shù)組靠粪、表等形式簇聚存儲(chǔ)的蜡吧。
時(shí)間局部性是通過(guò)將近來(lái)使用的指令和數(shù)據(jù)保存到高速緩存存儲(chǔ)器中，并使用高速緩存的層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)占键。
空間局部性通常是使用較大的高速緩存昔善，并將預(yù)取機(jī)制集成到高速緩存控制邏輯中實(shí)現(xiàn)。
虛擬內(nèi)存技術(shù)實(shí)際上就是建立了 “內(nèi)存一外存” 的兩級(jí)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)畔乙，利用局部性原理實(shí)現(xiàn)髙速緩存君仆。
虛擬存儲(chǔ)器的概念及特點(diǎn)
虛擬存儲(chǔ)器是一種存儲(chǔ)管理技術(shù)，用以完成用小的內(nèi)存實(shí)現(xiàn)在大的虛空間中程序的運(yùn)行工作牲距。它是由操作系統(tǒng)提供的一個(gè)假想的特大存儲(chǔ)器返咱。但是虛擬存儲(chǔ)器的容量并不是無(wú)限的，它由計(jì)算機(jī)的地址結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度所確定嗅虏，另外虛存容量的擴(kuò)大是以犧牲CPU工作時(shí)間以及內(nèi)洛姑、外存交換時(shí)間為代價(jià)的。
虛存技術(shù)的特征
- 大的用戶空間：通過(guò)把物理內(nèi)存與外存相結(jié)合皮服，提供給用戶的虛擬內(nèi)存空間通常大于實(shí)際的物理內(nèi)存楞艾，即實(shí)現(xiàn)了這兩者的分離。
- 虛擬擴(kuò)充：即不是物理上而是邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存容量龄广。
- 部分裝入：即每個(gè)作業(yè)不是全部一次性地裝入內(nèi)存硫眯，而是只裝入一部分。
- 離散分配（不連續(xù)性）：即不必占用連續(xù)的內(nèi)存空間择同，而是“見(jiàn)縫插針”两入。
- 多次對(duì)換：即所需的全部程序和數(shù)據(jù)要分成多次調(diào)入內(nèi)存。
虛擬存儲(chǔ)器的容量主要受到指令中表示地址的字長(zhǎng)和外存的容量的限制敲才。
虛存技術(shù)的目標(biāo)
- 像覆蓋技術(shù)那樣裹纳，不是把程序的所有內(nèi)容都放在內(nèi)存中（部分裝入），因而能夠運(yùn)行比當(dāng)前的空閑內(nèi)存空間還要大的程序紧武。但做得更好剃氧，由操作系統(tǒng)自動(dòng)完成而無(wú)須程序員的干涉。
- 像交換技術(shù)那樣阻星，能夠實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在內(nèi)存與外存之間的交換朋鞍，因而獲得更多的空閑內(nèi)存空間。但做得更好妥箕，只對(duì)進(jìn)程的部分內(nèi)容進(jìn)行交換滥酥。（交換技術(shù)的粒度是以一個(gè)程序?yàn)閱挝唬摯嬉愿〉牧６葘?shí)現(xiàn)）
虛存技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
在頁(yè)式或段式內(nèi)存管理的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)畦幢。
- 在裝入程序時(shí)坎吻，不必將其全部裝入到內(nèi)存，則只需將當(dāng)前需要執(zhí)行的部分頁(yè)面或段裝入到內(nèi)存宇葱，就可以讓程序開(kāi)始執(zhí)行禾怠；
- 在程序執(zhí)行過(guò)程中返奉，如果需執(zhí)行的指令或訪問(wèn)的數(shù)據(jù)尚未在內(nèi)存（稱為缺頁(yè)或缺段）贝搁，則由處理器通知操作系統(tǒng)將相應(yīng)的頁(yè)面或段調(diào)入到內(nèi)存吗氏，然后繼續(xù)執(zhí)行程序；
- 另一方面雷逆，操作系統(tǒng)將內(nèi)存中暫時(shí)不使用的頁(yè)面或段調(diào)出保存在外存上弦讽，從而騰出更多空閑空間存放將要裝入的程序以及將要調(diào)入的頁(yè)面或段。
虛擬頁(yè)式內(nèi)存管理
在頁(yè)式存儲(chǔ)管理的基礎(chǔ)上膀哲，增加請(qǐng)求調(diào)頁(yè)和頁(yè)面置換功能往产。
主存空間信息保護(hù)
- 程序執(zhí)行時(shí)訪問(wèn)屬于自己主存區(qū)域的信息，允許它既可讀某宪，又可寫(xiě)仿村；
- 對(duì)共享區(qū)域中的信息只可讀，不可修改兴喂；
- 對(duì)非共享區(qū)域或非自己的主存區(qū)域中的信息既不可讀蔼囊，也不可寫(xiě)。
設(shè)備管理
設(shè)備管理的功能
- 管理所有外圍設(shè)備衣迷，包括完成用戶的 IO 請(qǐng)求
- 為用戶進(jìn)程分配 IO 設(shè)備
- 提高 IO 設(shè)備利用率
- 提高 IO 速度
- 方便 IO 的使用
I/O硬件原理
I/O設(shè)備的分類(lèi)
- 獨(dú)占設(shè)備：在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備畏鼓，一般為低速I(mǎi)/O設(shè)備（如打印機(jī)，磁帶等）
- 共享設(shè)備：在一段時(shí)間內(nèi)可由多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備壶谒，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來(lái)使用設(shè)備云矫，其資源利用率高（如硬盤(pán)）
- 虛擬設(shè)備：在一類(lèi)設(shè)備上模擬另一類(lèi)設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備汗菜，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備让禀，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備。其目的就是將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備陨界，提高設(shè)備的利用率巡揍。如SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù)（用硬盤(pán)模擬輸入輸出設(shè)備）
設(shè)備管理的主要功能
在現(xiàn)代的操作系統(tǒng)中普碎，設(shè)備管理的任務(wù)主要有以下幾個(gè)方面吼肥。
- 根據(jù)用戶提出的要求對(duì) I/O 設(shè)備進(jìn)行控制，完成用戶提出的輸入 / 輸出要求麻车。
- 由于現(xiàn)代的操作系統(tǒng)允許多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行缀皱，為了有效地分配設(shè)備資源，要求設(shè)備管理能夠根據(jù)設(shè)備請(qǐng)求的情況动猬，按照一定的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè) I/O 設(shè)備進(jìn)行合理分配啤斗。
- 當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屮有種類(lèi)繁多的 I/O 設(shè)備時(shí)，要求設(shè)備管理能夠充分而有效地使用這些設(shè)備赁咙，盡可能提高它們與 CPU 的并行操作程度钮莲。
針對(duì)上述的任務(wù)需求免钻，設(shè)備管理應(yīng)具有以下功能：
- 緩沖管理：CPU 與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間交換信息時(shí)崔拥，需要利用緩沖區(qū)來(lái)緩解速度不匹配的矛盾极舔，提高 CPU 與設(shè)備之間、設(shè)備與設(shè)備之間操作的并行程度链瓦。
- 設(shè)備分配：系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程所請(qǐng)求的設(shè)備拆魏，按分配算法對(duì)設(shè)備和設(shè)備相應(yīng)的控制器和通道進(jìn)行分配，建立從設(shè)備到內(nèi)存之間傳輸信息的通路慈俯。在進(jìn)程的 I/O 完成后渤刃，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)回收設(shè)備，以便重新分配給其他進(jìn)程使用贴膘。將未獲得所需設(shè)備的進(jìn)程放進(jìn)相應(yīng)設(shè)備的等待隊(duì)列中卖子。
- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)：邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換成設(shè)備的物理地址，啟動(dòng)指定的 I/O 設(shè)備刑峡，完成程序規(guī)定的 I/O 操作洋闽，并對(duì)由設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，根據(jù)中斷類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的處理氛琢。
- 設(shè)備無(wú)關(guān)性: 用戶在編制程序時(shí)喊递，不直接使用實(shí)際的設(shè)備名而使用邏輯設(shè)備名。有利于解決設(shè)備的故障和增加設(shè)備分配的靈活性阳似。
- 虛擬設(shè)備：一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備稱為獨(dú)占設(shè)備骚勘。獨(dú)占設(shè)備不僅降低了系統(tǒng)的設(shè)備利用率，而且可能產(chǎn)生死鎖撮奏。虛擬設(shè)備能被多個(gè)進(jìn)程共享俏讹，提高了設(shè)備的利用率，并且防止了死鎖畜吊。關(guān)于虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)以后章節(jié)將詳細(xì)討論泽疆。
I/O控制方式
設(shè)備管理的主要任務(wù)之一是控制設(shè)備和內(nèi)存或者處理機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。
- 輪詢方式
- 中斷方式
- DMA方式
- 通道方式
輪詢方式
CPU 需要時(shí)刻對(duì)外設(shè)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)檢查玲献，直到確定該字已經(jīng)在 I/O 控制器的數(shù)據(jù)寄存器中殉疼。CPU 和設(shè)備只能串行工作，CPU 效率相當(dāng)?shù)汀?/p>
中斷方式
允許 I/O 設(shè)備主動(dòng)打斷 CPU 的運(yùn)行并且請(qǐng)求服務(wù)捌年，使得其向 I/O 控制器發(fā)送讀命令瓢娜。
DMA方式
直接存儲(chǔ)讀取在 I/O 設(shè)備和內(nèi)存之間加上 DMA 控制器使得數(shù)據(jù)進(jìn)行直接傳輸而不經(jīng)過(guò) CPU。
通道方式
I/O 通道是指專門(mén)負(fù)責(zé)輸入 / 輸出的處理機(jī)礼预，因此屬于硬件技術(shù)眠砾。
CPU 要完成一組相關(guān)的讀寫(xiě)操作以及有關(guān)控制時(shí)候，向 I/O 通道發(fā)送一條 I/O 指令托酸，給出所要執(zhí)行的通道程序的首地址和要訪問(wèn)的 I/O 設(shè)備褒颈，通道接受指令后柒巫，執(zhí)行通道程序完成 CPU 指定的 I/O 任務(wù)，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)向 CPU 發(fā)送中斷請(qǐng)求谷丸。
通道方式由通道控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊大小以及傳輸?shù)膬?nèi)存位置堡掏，一個(gè)通道可以控制多臺(tái)設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換。
I/O軟件原理
設(shè)備獨(dú)立性
設(shè)備獨(dú)立性即應(yīng)用程序獨(dú)立于使用的物理設(shè)備淤井，在應(yīng)用程序中使用邏輯設(shè)備名稱來(lái)請(qǐng)求使用某類(lèi)設(shè)備布疼。系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)，是使用物理設(shè)備名稱币狠。
要實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性必須由設(shè)備獨(dú)立性軟件完成，包括執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作軟件提供統(tǒng)一的接口砾层，其中邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射是由邏輯設(shè)備表LUT完成的漩绵。
I/O軟件的分層結(jié)構(gòu)
共有5層，從底到高依次是硬件->中斷處理程序->設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序->設(shè)備獨(dú)立性軟件->用戶層I/O軟件肛炮。
- 中斷處理程序：用于保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境止吐，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理，處理完后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)侨糟，并返回到被中斷的進(jìn)程
- 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：與硬件直接有關(guān)碍扔，用來(lái)具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動(dòng)I/O設(shè)備工作
- 設(shè)備獨(dú)立性軟件/獨(dú)立于設(shè)備的I/O軟件：用于實(shí)現(xiàn)用戶程序與設(shè)備驅(qū)動(dòng)器的統(tǒng)一接口秕重、設(shè)備命令不同、設(shè)備保護(hù)，以及設(shè)備分配與釋放等溶耘。
- 最高層：用于實(shí)現(xiàn)用戶與I/O設(shè)備交互
I/O軟件的主要功能
通常將 I/O 軟件組織成四個(gè)層次：用戶應(yīng)用層軟件二拐、中斷處理程序、獨(dú)立于設(shè)備的軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序凳兵。
I/O 軟件包括 I/O 設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和設(shè)備無(wú)關(guān)軟件百新。設(shè)計(jì) I/O 軟件的一個(gè)最關(guān)鍵的目標(biāo)是設(shè)備無(wú)關(guān)性，I/O 設(shè)備管理軟件采用分層構(gòu)造庐扫，每一層的軟件都有自己獨(dú)立的功能饭望，最低層軟件與硬件的細(xì)節(jié)密切相關(guān)，并對(duì)高層軟件隱藏了硬件的具體特性形庭，I/O 軟件除了直接與設(shè)備打交道的低層軟件之外铅辞，其他部分的軟件并不依賴于硬件。
I/O軟件的處理過(guò)程
采用分層思想碘勉，當(dāng)用戶進(jìn)程提出 I/O 請(qǐng)求訪問(wèn)硬件時(shí)巷挥，需要按：進(jìn)程請(qǐng)求 I/O→獨(dú)立于設(shè)備的軟件→設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序→中斷處理程序→硬件的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行。
緩沖技術(shù)
緩沖引入的原因
- 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾
- 減少對(duì)CPU的中斷頻率验靡，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制
- 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性
- 解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題
緩沖的實(shí)現(xiàn)方式
軟緩沖的種類(lèi)
系統(tǒng)調(diào)用的處理步驟
首先倍宾，將處理機(jī)狀態(tài)由用戶態(tài)轉(zhuǎn)為系統(tǒng)態(tài)雏节；之后由硬件和內(nèi)核程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的一般處理；然后將用戶定義的參數(shù)傳送到指定的地址并保存起來(lái)高职。
其次钩乍，分析系統(tǒng)調(diào)用類(lèi)型，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理子程序怔锌。
最后寥粹，恢復(fù)被中斷的或設(shè)置新進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)，然后返回被中斷進(jìn)程或新進(jìn)程埃元，繼續(xù)往下執(zhí)行涝涤。
驅(qū)動(dòng)調(diào)度技術(shù)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能、特點(diǎn)
磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間包括什么岛杀？
磁盤(pán)訪問(wèn)時(shí)間由：尋道時(shí)間阔拳、旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間三部分構(gòu)成。
磁盤(pán)調(diào)度算法
計(jì)算平均尋道長(zhǎng)度
設(shè)備分配
設(shè)備獨(dú)立性
設(shè)備分配考慮的因素
設(shè)備分配技術(shù)
虛擬設(shè)備
Spooling技術(shù)的組成类嗤、特點(diǎn)糊肠、舉例
概念
SPOOLing技術(shù)又稱假脫機(jī)技術(shù)，是一種虛擬設(shè)備技術(shù)遗锣，它可以把一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備改造成為虛擬設(shè)備货裹，在進(jìn)程所需的物理設(shè)備不存在或被占用的情況下，使用該設(shè)備精偿。SPOOLING技術(shù)是對(duì)脫機(jī)輸入弧圆，輸出系統(tǒng)的模擬，又稱為假脫機(jī)操作还最。它是一種用空間換取時(shí)間的資源轉(zhuǎn)換技術(shù)墓阀。
組成
SPOOLINGing 系統(tǒng)主要由三部分組成：輸入井和輸出井、輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)拓轻、輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程斯撮。
- 輸入井和輸出井: 輸入井和輸出井的存儲(chǔ)區(qū)域是在磁盤(pán)上開(kāi)辟出來(lái)的。輸入輸出井中的數(shù)據(jù)一般以文件的形式組織管理扶叉，這些文件稱之為井文件勿锅。一個(gè)文件僅存放某一個(gè)進(jìn)程的輸入或輸出數(shù)據(jù)，所有進(jìn)程的數(shù)據(jù)輸入或輸出文件鏈接成為一個(gè)輸入輸出隊(duì)列枣氧。
- 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū): 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)的存儲(chǔ)區(qū)域是在內(nèi)存中開(kāi)辟出來(lái)的溢十。主要用于緩和 CPU 和磁盤(pán)之間速度不匹配的矛盾。輸入緩沖區(qū)用于暫存有輸入設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)达吞，之后再傳送到輸入井张弛；輸出緩沖區(qū) 同理。
- 輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程: 輸入進(jìn)程也稱為預(yù)輸入進(jìn)程，用于模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)吞鸭，將用戶要求的數(shù)據(jù)從輸入設(shè)備傳送到輸入緩沖區(qū)寺董，再存放到輸入井。當(dāng) CPU 需要的時(shí)候刻剥，直接從輸入井將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存遮咖。反之，輸出的同理造虏。
- 井管理程序: 用于控制作業(yè)與磁盤(pán)井之間信息的交換御吞。
原理
在多道系統(tǒng)中，對(duì)于每一個(gè)獨(dú)占的設(shè)備漓藕，專門(mén)利用一道程序陶珠，即 SPOOLing 程序，來(lái)完成對(duì)這個(gè)設(shè)備的輸入輸出操作撵术。
一方面背率，SPOOLing 程序負(fù)責(zé)與這個(gè)獨(dú)占的 I/O 設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這可以成為 “實(shí)際的 I/O”嫩与。如果這是一個(gè)輸入設(shè)備，那么 SPOOLing 程序預(yù)先從該設(shè)備輸入數(shù)據(jù)并加以緩沖交排，然后在需要時(shí)再交給應(yīng)用程序划滋。如果這是一個(gè)輸出設(shè)備毒返，那么 SPOOLing 程序會(huì)接受應(yīng)用程序的輸出數(shù)據(jù)并加以緩沖错洁，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候再輸出到該設(shè)備彬呻。
另一方面刺彩，應(yīng)用程序在進(jìn)行 I/O 操作時(shí)爷耀，只是與 SPOOLing 程序交換數(shù)據(jù)介粘，這可以稱為 “虛擬的 I/O”锈至。
輸入值班進(jìn)程 SPi 模擬 SPOOLing 輸入時(shí)的外圍控制機(jī)的功能附井〔拷牛控制輸入設(shè)備經(jīng)輸入緩沖區(qū)把用戶的數(shù)據(jù)傳送到備用存儲(chǔ)器的輸入井中想邦，當(dāng)用戶進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，直接將輸入井中預(yù)存的輸入數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存委刘，提供給用戶進(jìn)程使用丧没。
輸出值班進(jìn)程 SPo 模擬 SPOOLing 輸出時(shí)的外圍控制機(jī)的功能。把用戶進(jìn)程的輸出數(shù)據(jù)傳送到備用存儲(chǔ)器的輸出井中锡移，形成輸出請(qǐng)求隊(duì)列呕童。控制輸出井中的數(shù)據(jù)傳送到低速的輸出設(shè)備淆珊。
優(yōu)點(diǎn)
所有字符設(shè)備都是獨(dú)占設(shè)備并屬于慢速設(shè)備夺饲，因此，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程在某臺(tái)字符設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，往往要等待較長(zhǎng)時(shí)間往声，并且在此進(jìn)程未釋放該設(shè)備之前擂找，其他進(jìn)程不能同時(shí)訪問(wèn)這臺(tái)設(shè)備，從而使這類(lèi)設(shè)備成為系統(tǒng)中的瓶頸資源烁挟，使許多進(jìn)程因等待它們而阻塞婴洼。另一方面，分配到字符設(shè)備的進(jìn)程撼嗓，在其整個(gè)運(yùn)行期間柬采，往往占有這些設(shè)備，卻并不是經(jīng)常使用這些設(shè)備且警，因而使這些設(shè)備的利用率很低粉捻。從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 Spooling技術(shù)正是針對(duì)上述問(wèn)題提出的一種技術(shù)斑芜。
- 提高I/O的速度：應(yīng)用程序的虛擬 I/O 比實(shí)際的 I/O 速度要快肩刃，因?yàn)樗皇窃趦蓚€(gè)進(jìn)程之前的一種通信，把數(shù)據(jù)從一個(gè)進(jìn)程交給另一個(gè)進(jìn)程杏头。這種數(shù)據(jù)交換是在內(nèi)存中進(jìn)行的盈包，而不是真正地讓機(jī)械的物理設(shè)備去運(yùn)作。這就縮短了應(yīng)用程序的執(zhí)行時(shí)間醇王。對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行的 I/O 操作呢燥，已從對(duì)低速 I/O 設(shè)備執(zhí)行的 I/O 操作演變?yōu)閷?duì)磁盤(pán)緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)的存取，如同脫機(jī)輸入輸出一樣寓娩，提高了 I/O 速度叛氨，緩和了 CPU 和低速的 I/Os 設(shè)備之間速度的不匹配的矛盾。
- 實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)占設(shè)備的共享：由 SPOOLing 程序提供虛擬設(shè)備棘伴，然后各個(gè)用戶進(jìn)程就可以對(duì)這個(gè)獨(dú)占設(shè)備依次地共享使用寞埠。因?yàn)樵诩倜摍C(jī)打印機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)際上并沒(méi)有為任何進(jìn)程分配設(shè)備焊夸，而只是在磁盤(pán)緩沖區(qū)中為進(jìn)程分配了一個(gè)空閑盤(pán)塊和建立了一張 I/O 請(qǐng)求表仁连。
- 實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能: 宏觀上，對(duì)于每一個(gè)進(jìn)程而言淳地，它們認(rèn)為是自己獨(dú)占了一個(gè)設(shè)備怖糊，即使實(shí)際上是多個(gè)進(jìn)程在同時(shí)使用一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備。也可以說(shuō)假脫機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備的功能颇象。
例子
打印機(jī)就是一種獨(dú)占設(shè)備伍伤，在任何時(shí)候只能允許一個(gè)用戶進(jìn)程使用。在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中遣钳，對(duì)于打印機(jī)設(shè)備扰魂，普遍采用了 SPOOLing 技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，首先創(chuàng)建一個(gè) SPOOLing 進(jìn)程劝评，或稱后臺(tái)打印程序姐直，以及一個(gè) SPOOLing 目錄。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要打印一個(gè)文件時(shí)蒋畜，首先會(huì)生成將要打印的文件声畏，并把它放入到 SPOOLing 目錄中，然后由這個(gè)后臺(tái)打印進(jìn)程來(lái)負(fù)責(zé)真正的打印操作姻成。
文件管理
文件管理的意義
由于系統(tǒng)的內(nèi)存有限并且不能長(zhǎng)期保存插龄，故平時(shí)總是把它們以文件的形式存放在外存中，需要時(shí)再將它們調(diào)入內(nèi)存科展。
文件系統(tǒng)的功能
文件系統(tǒng)的主要作用是用于明確磁盤(pán)或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均牢，即在磁盤(pán)上組織文件的方法。
- 存儲(chǔ)和管理文件：如創(chuàng)建/刪除文件才睹，對(duì)文件的各種操作等
- 目錄管理：如創(chuàng)建/刪除目錄項(xiàng)徘跪，權(quán)限驗(yàn)證等
- 文件存儲(chǔ)空間的管理：如外存空間的分配與回收
- 文件共享和保護(hù)
- 提供方便的接口：如實(shí)現(xiàn)按名存取,文件系統(tǒng)調(diào)用等
文件
文件是具有文件名的一組相關(guān)元素的集合，分為有結(jié)構(gòu)文件和無(wú)結(jié)構(gòu)文件琅攘。
文件的邏輯結(jié)構(gòu)及分類(lèi)
- 無(wú)結(jié)構(gòu)文件
- 有結(jié)構(gòu)文件
- 順序文件
- 索引文件
- 索引順序文件
- 散列文件
文件的物理結(jié)構(gòu)及分類(lèi)
- 順序結(jié)構(gòu)
- 鏈接結(jié)構(gòu)
- 隱式鏈接
- 顯式鏈接：FAT表
- 索引結(jié)構(gòu)
文件存儲(chǔ)空間的管理方法
- 空閑表法
- 空閑鏈表法
- 位示圖
文件目錄
目錄管理的要求
文件控制塊
索引節(jié)點(diǎn)
成組鏈接法的空閑盤(pán)快的組織垮庐、分配回收過(guò)程
文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)
為了給用戶提供對(duì)文件的存取控制及保護(hù)功能，而按一定規(guī)則對(duì)系統(tǒng)中的文件名坞琴，(亦可包含文件屬性)進(jìn)行組織所形成的表突硝，稱為目錄表或文件目錄。目前操作系統(tǒng)采用的目錄結(jié)構(gòu)是樹(shù)型目錄結(jié)構(gòu)置济，它的優(yōu)點(diǎn)有：有效地提高對(duì)目錄的檢索速度；允許文件重名锋八；便于實(shí)現(xiàn)文件共享浙于。
文件分配的方法/數(shù)據(jù)塊組織方式
- 連續(xù)方式：一次寫(xiě)入不存在插入問(wèn)題，而且寫(xiě)入文件之后不需要修改挟纱，連續(xù)的數(shù)據(jù)塊組織方式很適合一次性寫(xiě)入磁盤(pán)不再修改的情況羞酗，同時(shí)連續(xù)存儲(chǔ)相對(duì)鏈?zhǔn)胶退饕∪チ酥羔樀目臻g開(kāi)銷(xiāo)，支持隨機(jī)查找紊服，查找速度最快檀轨。
- 鏈接塊方式：
- 索引方式：
