OS Chapter 2 Processes and Scheduling

• 进程描述与控制
• 互斥与同步
• 死锁与饥饿
• 生产者与消费者问题;读者写者问题;哲学家用餐问题;
• 进程通信;
• 进程调度;

 

 进程描述与控制

进程映像:即逻辑进程; (Process image)

Process Control Primitives(原语):一些最基本的程序段,且不可以被中断(系统提供的).

Block数据结构; PCB块即数据结构;

 

OS提供的主要功能:

交替执行多个进程使处理器的利用率达到最大,同时提供合适的响应时间(交互式系统);

分配资源;

 

• 程序顺序执行的特点:

　　顺序性,封闭性,可再现性;

• 并发执行的特点:

　　间断性,非封闭性(),不可再现;

• 并发执行的条件

　　(事务处理) R(p1)&W(p2)|W(p1)&R(p2)W(p1)&W(p2) = {}; 即两个进程间的读写操作不难存在交集

 

进程 task:

Dynamic

Concurrency

Independent

Asynchronous

 

进程结构

程序，数据，PCB

 

进程5状态:

新的, 退出, 就绪, 等待, 执行

Runing: 正在执行(操作系统只能从就绪进程中选择一个进程执行)

Ready:准备执行

Blocked:等待某事件发生才能执行如I/O完成

New:已经创建,但还没被OS接纳为可执行进程

Exit:僵死状态

 

进程7状态:

New, exit, running, blocked, ready, blocked suspended, ready suspended

Swapping对换技术-- 把暂时不运行的进程或暂时不用的数据和程序Swapping out 以腾出一些内存空间, 相反则是Swapping in(换进换出)

进程挂起(Suspended):(进程挂起与阻塞不同, 一个在内存一个不在内存中) 将进程从内存换出到磁盘上会变成挂起状态,以释放内存空间

挂起进程的特征

• 不能立即执行
• 挂起前是阻塞时,如果阻塞条件与挂起条件独立,则即使阻塞事件发生,该进程也不能执行
• 使之扶起的进程有:自身,父进程,OS
• 只有扶起它的进程才能使它转换成其它状态

挂起与阻塞区别:

• 只是优先挂起阻塞进程
• 挂起:是否在内存
• 阻塞:是否在等待事件发生

 

处理器可调度执行的进程有两种

• 新创建的进程
• 换入被挂起的进程(优先考虑)

 

OS通过不同的表来管理资源:

• 内存表: 内存分配情况,外存分配情况;访问共享内存的保护信息;虚拟内存管理信息;等
• I/O表: available or assigned; I/O操作状态; I/O传输的起始位置;等
• 文件表: 存在的文件; 外存的位置; 当前状态; 属性; 文件管理系统;
• 进程表: 进程的位置; 相关属性:ID, 状态, 内存位置; PCB; 进程映像(进程逻辑上的所有信息);

 

PCB:控制和管理进程的基本结构;

• ID:进程ID, 父进程ID,用户ID;
• 可见寄存器
• 控制状态寄存器:程序计数器, 条件码, 状态信息(中断, 可用/不可用标记等)
• 堆栈指针
• 调度和状态信息:当前状态, 优先级, 与高度算法相关的信息, 事件
• 进程间的关系信息
• 进程间的通信:标记,信号,消息
• 进程保护
• 内存管理信息:如何划分:分段还是分页(segment, page)
• ...

 

OS Kernel 的功能 (OS如何实现这些功能的?)

资源管理

进程管理: 创建, 终止, 调度,状态转换, 同步, 通信, 管理PCB

内存管理: 为进程分配地址空间,对换, 段/页管理

I/O管理: 缓冲管理,为进程分配I/O

支撑功能

中断, 时钟管理,  原语, 统计, 监测, 挂起与激活

 

原语

切换

• 时间片结束中断
• I/O中断
• 存储访问失效
• Trap

切换过程: 保存进程上下文, 将对应的PCB到对应的队列, 选择另一个进程执行, 更改执行的PCB, 更改内存, 恢复执行的进程状态

模式切换:进程内部执行,执行系统调用,从用户态到系统态,再回到用户态;不一定有进程切换;

进程切换中有模式切换;

 

创建进程(原语)

步骤

• 分配ID
• 为进程分配空间:用户地址, 栈, PCB, 链接共享空间;
• 初始化PCB
• 建立链接: 连接到相应的队列
• 建立其它数据结构

 

终止进程(原语)

步骤

• 根据进程ID,找到PCB,读取状态
• 如果为执行状态,终止执行
• 如果是子孙进程,则终止所有子孙进程
• 将该进程的所有资源归还给父进程或是OS
• 将终止进程的PCB从队列中删除,可能会成为僵死进程,等待被收集数据

 

阻塞进程(原语)

步骤(一对原语,要成对使用)

阻塞原语

• 出现阻塞事件,进程调用阻塞原语将自己阻塞,进入阻塞状态和相应的队列

唤醒原语

• 当事件完成时,相关进程调用唤醒原语将进程唤醒,进入就绪队列

 

挂起与激活

挂起原语

• 系统利用挂起原语将指定进程或阻塞进程挂起

激活原语

• 将进程从外存换入内存, 插入相应队列

 

线程

进程是资源分配单位,线程不要去分配与释放这些资源,减小系统开销, 线程是最小的调度单位,无需申请资源,只是去共享进程的资源

 

特点

• 也有相应的状态
• 切换线程时也有上下文, 会被保存, 恢复
• 有自己的堆栈
• 有少量的私有局部变量空间

 

优点

• 更少的创建时间: 更少的资源, 无需分配地址空间等
• 更少的终止时间: 终止线程无需释放进程内的共享资源
• 更少的上下文切换时间(同一进程内的线程切换)
• 共享进程的内存, 文件, 线程间通信无需OS内核参与(用户级切换), 没有模式切换,减小开销

挂起一个进程会挂起里面的所有线程

 

用户级线程

• 内核中没有TCB
• 线程管理在用户级管理
• 相关描述,  控制原语在用户态下完成

内核级线程

• 内核中创建线程和管理TCB
• 调度是基于线程本身
• 描述与控制的原语是在核心子系统中实现

 

进程调度

按调度层次划分：长程调度（Long-term），中程调度（Mid-term），短程调度（short-term）；

长程调度（Long-term）：即高级调度、作业调度，只有在支持作业的系统里（批处理系统）才有，为被调度作业或用户程序创建进程，分配必要的系统资源，并将新进程插入到就绪队列等待短程调度。（PC系统里没有作业调度）

中程调度（Mid-term）：调度换出到磁盘上的进程到内存进行执行（换入），配合对换技术使用（可能会有多个进程被调度）。

短程调度（short-term）：即进程调度或低级调度，调试就绪状态的进程执（只有一个进程被调度）。

 

对调度的要求

• 面向用户

响应时间（提交命令到产生结果，产生第一个响应的时间）；

周转时间（进程从提交到进程到完成所有时间之和包含：进入内存、队列等待时间、CPU上执行、I/O时间）；

截止时间：必须开始的时间或必须完成的时间；

• 面向系统

吞吐量（批处理系统）：单位时间内完成的进程数量；

处理器利用率：CPI忙碌的比例，有效的和高效的使用；

资源的平衡使用：

公平性：没有进程处于饥饿状态

调度算法

FCFS：对短进程不公平，一般系统很少使用单独的FCFS算法，而与混合其它算法使用。适用于CPU繁忙的系统，进程一直执行直到阻塞或结束；

SJF：最短作业优先

轮转法：用于分时系统，类似于FCFS，增加了抢占与切换进程，为CPU分配时间片；（主要为响应时间）

优先级队列：先执行优先级高的进程；可能会出现饥饿进程，可以采用动态改变优先级，进程随时间增加优先级提高。

 高响应比优先：实际中很难实现（不能每次调用都计算，也很难确定时间）

 

抢占（Preemptive）：可以被中断，回到下一次调用，可以及时处理高优先级的进程，主要用于实时性要求高的实时系统；

非抢占：主要用于批处理系统；

 

实时调度

结果与时间都非常关键；实时响应外部事件；

实时系统

确定性：在时间点或是某时间段内完成；对于外部操作有一个确定的延迟响应它的中断；

响应性：获得中断后处理中断所用的时间；

 

中断处理时会屏蔽其它中断，但如果这样就无法做到实时性，Linux对此进行了改进，支持实时任务。

Linux：中断处理

• top: 收中断，分析哪类中断（无法接收新的中断）
• bottom：中断处理全程，（重新开始接收新的中断）

 

实时操作系统

• 快速切换
• 小
• 对外部响应快
• 文件（数据）存储速度快
• 基于优先级的抢占方式
• 固定延迟要求

实时调度

• 实时调度
• 截止时间调度

时间片轮转：秒级；

基于优先级的非剥夺调度（实时任务放到队首）：数百毫秒~数秒；

基于优先级的剥夺调度（在可以被剥夺的时间点）：几十毫秒或几毫秒；

立即剥夺调度（只要不在临界区）：几百us；

静态表驱动调度法（根据表来决定下一个执行行哪个任务）：用于调度周期性的实时任务；（非实时多道系统）

静态表优先级调度

动态优先级高度

截止时间调度：最早截止时间优先调度，降低截止时间错过；