作業系統複習

第一章 引論

體系結構圖

1、什麼是作業系統？定義，特點，功能

定義：作業系統其實是一個軟體，是底層複雜多樣的硬體和軟體操作的抽象，同時也是資源的管理者，管理與合理利用計算機資源。即作業系統是一個控制和管理計算機硬體與軟體資源，合理地組織計算機進行工作以及方便使用者使用的大型程式。

特點：

    ①併發：指的是多個應用程式在單核CPU上執行，一段時間交替執行多個程式。

    ②共享：系統的計算機硬體和軟體資源可以給多個程式共同使用。

    ③虛擬，將一個物理的實體變成多個邏輯的對應物。

    ④非同步：也稱為不確定性，即在多道環境下（現代的作業系統基本都是多道環境），每個程式執行的時間，執行的順序是不確定的。

功能：①程式與執行緒、②記憶體管理、③檔案系統、④輸入/輸出管理

作業系統功能圖

2、計算機的兩種執行狀態及特點

①核心態（也稱管態）：核心態可使用所有CPU指令（類似root使用者的角色）

②使用者態（也稱目態）：使用者態執行指令有範圍，即只能執行部分安全指令。通常使用者程式就是工作在使用者態，使用者程式要使用特權指令時需要向作業系統提出申請。

兩種狀態

從使用者態切換到核心態的情況

觸發條件：系統功能呼叫（即作業系統提供給應用程式的介面）、外部中斷、異常。三者滿足其一就會發生狀態切換，其中系統功能呼叫結束後會從核心態切換回使用者態。

目態到管態這一過程的切換是由硬體來完成的，中間會產生中斷，這個中斷叫作“訪管中斷”。

中斷系統一般由硬體和軟體構成

3、系統功能呼叫的概念

系統功能呼叫就是使用者在程式中使用“訪管指令”訪問作業系統提供的子功能集合，是作業系統提供給使用者程式的介面。

4、各類作業系統的特點

批處理作業系統：和使用者無互動，允許多個使用者把多個作業提交給計算機集中處理。

分時作業系統：和使用者有互動，每個處於就緒佇列的程式都會被分配一個時間片（時間片=使用者所能忍耐的時間/最大使用者數），分時作業系統的特點：多路性、互動性、獨立性、及時性。現常用於桌面系統。

實時作業系統：具有“及時性”和“可靠性”，要求作業系統能及時響應外部事件的請求，並能在規定時間內完成對事件的處理，常用於導彈系統這種。

分散式作業系統：多臺電腦通過網路連線來共同處理一件任務。

分時與多工處理的區別：分時指的是多個使用者同時訪問一臺機器，而多工處理指的是一個使用者處理多個任務。

第二章  程式與執行緒

1、併發與並行概念

併發：指的是多個事件在同一時間間隔內交替執行

並行：指的是多個事件在同一時刻發生

2、程式的5個狀態及轉換條件

狀態圖

3、建立程式和fork函式

在windows系統下，建立程式使用的是系統呼叫CreateProcess()函式，若建立成功則返回true，否則返回false；在linux系統下，建立程式使用的是系統呼叫fork()函式，若子程式建立失敗則返回-1，若建立成功則返回2個值，一個是子程式返回0，一個是子程式返回pid（程式id）。

fork()函式：是一個系統呼叫，程式中使用fork()函式可以建立和父程式一模一樣的子程式出來，子程式使用父程式的棧，資料段，堆以及執行文字段的拷貝。雖然虛擬空間和父程式不一樣，但是物理空間是一樣的。（是暫時的，因為剛開始建立沒什麼區別，但當父程式發生改變了，就給子程式建立一個新的物理空間）

程式控制塊PCB（Process Control Block）是程式存在的唯一標誌。一個程式由程式、資料集合、PCB構成。

引入程式：是為了處理併發；引入執行緒：是為了提高併發性

4、程式與程式的關係和區別

關係：程式是程式的執行，而程式是程式的基礎。

區別：①程式是動態的，而程式是靜態的。②程式有生命週期，而程式只是指令的集合，不具有生命週期。③一個程式可以對應多個程式，而一個程式只能對應一個程式。

5、建立執行緒

在windows系統下，建立執行緒使用的是系統呼叫CreateThread()函式，而linux系統下，建立執行緒使用的是系統呼叫pthread_create()函式。

6、程式與執行緒的關係和區別

關係：一個程式包含多個執行緒，程式就相當於一個容器，執行緒無法脫離程式獨立存在。

區別：程式是計算機資源分配的基本單位，而執行緒是CPU排程的基本單位。

7、多道程式設計概念以及CPU利用率

多道程式支援一段時間內多個程式交替執行，即併發。多道程式設計提高了CPU的利用率。

8、臨界區及競爭條件

臨界區：對共享資源進行訪問的程式碼程式片段。

競爭條件：多個程式同時讀寫某些共享資源，而最後的結果取決於精確時序。

互斥：指的是程式之間的間接制約關係，當一個程式進入臨界區使用臨界資源時，另一個程式必須等待。只有當使用臨界資源的程式退出臨界區後，這個程式才會解除阻塞狀態。（比如程式B需要訪問印表機，但此時程式A佔有了印表機，程式B會被阻塞，直到程式A釋放了印表機資源,程式B才可以繼續執行）

9、互斥的解決方案

有忙等待、睡眠與喚醒（訊號量Semaphore）、互斥量（Mutex）、生產者與消費者問題 這幾類解決方案

忙等待

    ①鎖變數：首先設定一個全域性變數用於所有執行緒共享（int turn=0），在進入臨界區之前用while(turn)不斷測試turn的值，當turn=0時表示此時沒有執行緒使用臨界區，所以把turn設定為1，之後進入臨界區。對於其他程式而言，此時while(turn)這一行是成立的，所以其他執行緒會一直卡在這裡忙等待直到測試到turn=0的時候才可以進入臨界區。當處於臨界區的執行緒完成臨界區的資源訪問時就把turn設定為0，表示當前臨界區沒有執行緒訪問了，此時while(turn)這個條件不成立，其他執行緒當中就可以任意一個進入臨界區，之後再進行同樣的操作驗證全域性變數turn。  不過這個方法並不能完全解決臨界區訪問的問題（比如第一個執行緒在turn的值為0時跳過了while(turn)的驗證進入臨界區，當訪問完臨界區資源後，此時在把turn設定為1之前，執行緒切換為第二個執行緒，而這時turn的值還沒修改過來（仍然為0），於是第二個執行緒會跳過while(turn)的驗證進入臨界區，這個時候就達不到對臨界區的訪問控制了。這個turn也變成了競爭條件，但凡是共享的資料都可能成為競爭條件。）

    ②嚴格輪換法（也稱為自旋鎖）：同樣需要設定一個變數用來識別當前該哪個執行緒執行了，我們假設有3個執行緒，他們的執行緒id我們用tid = 0;和tid = 1;和tid = 2;表示，並設定一個排隊號turn（可以這樣想，現在有一個浴室（臨界區），一次只能進一個人（一個人即一個執行緒），當浴室中有人在使用的時候其他人需要在外面排隊，每個人都有一個排隊序號（共享變數）），一開始turn為0，表示執行緒0可以先進入臨界區，其他兩個執行緒只能卡在while迴圈那裡，當執行緒0完成臨界區的訪問之後就把turn改成下一個排隊號（理解為執行緒0已經用完浴室了，他出來之後就該輪到執行緒1進入浴室），而此時執行緒2依然卡在while迴圈那裡，因為執行緒1要進入臨界區了。嚴格輪換法按字面意思理解就是嚴格按順序輪著來，執行緒0執行完就輪到執行緒1，然後執行緒2，執行緒3，……  這種演算法也有一個問題，那就是如果執行緒0訪問完臨界區之後把turn改成1，這時候臨界區只有執行緒1有資格訪問，而執行緒2只能卡在while迴圈那裡，但是執行緒1目前還不打算進入臨界區，他還在執行其他的程式碼，那麼執行緒2就只能在那裡一直等待了，這樣就造成了一個效率的問題。（或者說演算法的效能問題）

    ③Peterson演算法：這個演算法就很巧妙地解決了互斥問題，它設定了一個鎖turn，當turn==process時表示程式process對訪問臨界區感興趣，同時把陣列元素interested[process]設定為true，具體的過程看下圖程式碼。巧妙在於while的判斷上（while(turn==process && interested[other]=TURE);），比如程式0先執行到while前一行程式碼，程式0切換到程式1，此時程式1在執行過程中會把turn修改為1，而當前process還是0，於是while(turn==process)就不成立了，則直接讓程式0訪問臨界區，反觀程式1的while判斷，目前turn==process是成立了，而此時程式0仍在訪問臨界區資源，則iinterested0]為TRUE也是成立的，於是程式1就一直被卡在while這裡忙等待了，知道程式0完成臨界區的訪問把interested[1]設定為FALSE，程式1才能臨界區。

自旋鎖方法圖

Peterson方法圖

睡眠與喚醒（訊號量Semaphore）：睡眠與喚醒可以使用系統呼叫來做，系統為我們開發者提供了互斥問題的解決方案，也就是P、V操作。P、V操作之間的就是臨界區程式碼。

P操作：也稱為down操作，執行P操作則訊號量-1，如果此時訊號量>=0時，則繼續往下執行，否則就一直卡在P操作等待一個V操作來喚醒。

V操作：也稱為up操作，執行V操作則訊號量+1，如果此時訊號量>0時，則繼續往下執行，否則就一直卡在V操作；若<0則喚醒被訊號量阻塞的程式。

注意：執行P操作後如果訊號量>=0不成立，則會卡在P操作。當有V操作喚醒的時候就不會在P操作再做判斷了，而是直接往下執行。

在Windows中訊號量初始化semaphore = CreateSemaphore（0,1,1,0）;【第二個參數列示訊號量初值，第三個引數比表示訊號量的最大值】，P操作使用WaitForSingleObject（semaphore,-1）;，而V操作使用ReleaseSemaphore（semaphore,1,0）;。在Linux中訊號量初始化sem_init（&semaphore,0,1）;【第三個參數列示訊號量初值】，P操作使用sem_wait（&semphore）;，而V操作使用sem_post（&semphore）;。

訊號量使用的三要素：初值、P操作、V操作。

互斥量（Mutex）：互斥量是專門用來控制互斥事件的，與上面訊號量的流程是完全一樣的，因為mutex就是訊號量的一種特殊情況。比如有2個執行緒要進入臨界區，這時候我們需要控制一次只能有一個執行緒訪問臨界區，使用mutex，當有一個執行緒先訪問到mutex的P操作之後，另一個執行緒會被卡在P操作那裡，因此只有臨界區的執行緒結束對臨界區的訪問並執行了V操作，卡在P操作的另一個執行緒才會有機會進入臨界區。

mutex是專門用來做互斥事件控制的，雖然semaphore也可以做互斥，但未免有點小題大做，semaphore一般做同步控制比較多。

在Windows中互斥量的初始化mutex = createMutex（0,0,0）;,P操作使用WaitForSingleObject（mutex,-1）;，而V操作使用ReleaseMutex（mutex）;。在Linux中互斥量的初始化pthread_mutex_init（&mutex,0）;,P操作使用pthread_mutex_lock（&mutex）;，V操作使用pthread_mutex_unlock（&mutex）;。

生產者與消費者問題：生產者與消費者有一個共同的緩衝區，生產者負責往裡面放資料，消費者負責往裡面取資料。生產者一旦生產了資料就可以讓消費者取，當緩衝區滿了，生產者就不能往裡面放東西了，就睡眠（sleep（）），直到消費者從緩衝區中取出資料才喚醒生產者（只要緩衝區沒有滿生產者就可以往裡面放）。同樣的當緩衝區中空了，消費者就不能取資料了，就睡眠（sleep（）），直到生產者往緩衝區中放了資料才喚醒消費者（只要緩衝區有東西就可以在裡面取）。

生產者與消費者

10、程式排程演算法（只考慮非搶佔式）、週轉時間、平均週轉時間

先來先服務：先到達的程式優先執行。

短作業優先：在某時刻若有多個程式都已經到達了，則讓服務時間最短的優先執行。

高響應比優先：在某時刻若有多個程式都已經到達了，則計算這些程式的響應比【響應比 = （等待時間 + 服務時間）/服務時間】，響應比大的先執行。

計算週轉時間、平均週轉時間上。（週轉時間=結束時間-到達時間。平均週轉時間=所有程式的週轉時間/所有程式個數。）

圖片發自簡書App