现代操作系统第二章复习重点

第二章进程与线程

·在早期计算机中，每个字节的读写直接由CPU处理（即没有DMA），对于多道程序而言这种组织方式有什么含义？

在这个读取任务中包括两个时间：CPU复制数据的时间和IO设备工作的时间。而早期IO设备的速度太慢了，IO 设备的工作时间远大于把数据存到内存中所需要的时间，CPU则会空转很长时间，此时多道程序设计就非常必要了。

进程是OS提供的最古老最需要的抽象概念，

它把来回切换的多道程序描述成一种多程序的并发。

2.1进程

多道程序设计

站在系统的角度——提高了CPU的利用率

站在用户的角度——可“同时”运行多个程序

对某个具体的任务而言——执行速度不变

单个CPU不能真正实现并行计算，其在任意时刻都只能执行一道指令。

（第一章到第六章都是以单个CPU来讲解的）

·如何解决这个矛盾：OS采用了一系列软件技术实现程序并发执行。

·什么是程序的并发执行【“大家注意把这个刻在脑子里”】

若干个程序段同时在系统中运行，这些程序段的执行在时间上是重叠的，一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始，即使这种重叠是很小的一部分，也称这几个程序段是并发执行的。

·什么是运行时间：程序在内存中的时间。

只有一个CPU，但是又希望有多个CPU

——虚拟出多个CPU。（“伪并行”，在任意时刻只有一个程序是活跃的）

面向每个任务虚拟出一个CPU，这就是进程。（CPU：从内存中取指令并执行）

虚拟出的CPU本质：对每个进程虚拟了程序计数器。

2.1.1进程模型

并行性:处理多个同时性活动的能力

并行处理:利用多个处理部件，为完成一个整体任务而同时执行

在任意时刻物理PC只对应一个程序的指令

底层：CPU在各个进程间来回切换

2.1.2进程的创建

有4种主要事件导致进程的创建:

1.系统初始化(foreground processes and daemons)

2.执行了正在运行的进程所调用的进程创建系统调用★

3.用户请求创建一个新进程

4.一个批处理作业的初始化

Fork子进程是父进程的精确副本。（但子进程的执行是独立的）

调用一次返回两次。

真正出现在代码中的不是系统调用程序，是系统调用的接口。

Pid=fork()

pid>0：父进程

pid=0：子进程

如果返回-1：代表创建子进程失败。

父进程子进程谁先执行谁后执行不能确定。

Execlp（替换子进程）

子进程复制了父进程的PC、正文、堆、栈等内容，包括输出缓冲。

Printf换行符：清空当前缓冲行；

Putchar()：在创建子进程后，当前缓冲行没有被清空，则子进程也会输出父进程中Putchar()的内容。

希望父子进程共享地址空间——vfork()

Vfork会确保子进程先执行，子进程用exec或exit退出。(子进程不能用return(0)而是exit(0))

单CPU并行(多程序并发执行)与GPU并行的区别？

伪并行，不能提高CPU执行速度和效率

单CPU有空闲单CPU不够用

共同点：价值体现在CPU确实有事要忙（多任务）

2.1.5进程的状态

只有运行态和就绪态可以相互变迁，且都是由于系统调度。（CPU调度）

为了更好地管理进程，我们会对它建立数据结构，通常采用的数据结构就是队列。

就绪队列：就绪态

各个等待队列：阻塞态

·程序的并发执行？

两个程序在执行时间上有重叠。

·操作系统如何实现并发执行？

计算机上所有软件被组织成若干顺序进程，用调度算法使CPU在各个进程间来回切换。

进程的五种状态及转换关系图

2.1.6进程的实现

为了实现进程模型，即多任务并发执行，OS维护着一张表格（一个结构数组）——进程表；

每个进程对应一个进程表项（也叫进程控制块，PCB）；

它包含进程状态的重要信息：PC、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息、其他进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时必须保存的信息。

（PPT英文，找了课本的图）

CPU在各个进程间来回切换，切换时操作系统会保存现场。

保存线程——保存PCB

就绪队列——就绪态；

等待队列——堵塞态。（因为可能有不同堵塞原因，所以有多个等待队列）

·在单个CPU如何维持多个顺序进程的错觉？中断向量（Interrupt vector）的位置？

因为操作系统通过我们之前一系列技术实现的，这些技术离不开中断处理，因此中断处理会放在内存固定的地方，即靠近内存底部的固定区域，它包含中断服务程序的入口地址。

假设当一个磁盘中断发生时，用户进程A正在运行，则---

1.中断硬件将程序计数器、程序状态字、一个或多个寄存器压入堆栈，计算机随机跳转到中断向量所指示的地址（保存现场）

2.软件，特别是中断服务例程接管一切剩余的工作。

【多道程序设计模型】

怎么量化CPU的利用率呢？于是提出了概率模型

Probabilistic Model(概率模型)

p:一个进程等待I/O操作的时间与其停留在内存中的时间比

n：内存中同时存在的进程数量

·什么情况下多道程序设计最有价值？

最有价值：内存足够的情况下，我可以增加尽可能多的程序道数，而且在这一过程中，随着程序道数的增加，我的CPU利用率一直在上升。

——所以由图，80%I/O的时候最有价值。

【重要题型：CPU利用率】