操作系统学习笔记4 | CPU管理 && 多进程图像

操作系统的核心功能就是管理计算机硬件,而CPU就是计算机中最核心的硬件。而通过学习笔记3的简史回顾,操作系统通过多进程图像实现对CPU的管理。所以多进程图像是操作系统的核心图像


参考资料:


1. 从使用CPU开始直观理解CPU管理

要想管理CPU,就要知道如何使用CPU。

CPU的工作原理已经很熟悉:

  • 取指执行
    • 程序存放在内存中,每段指令对应一个地址
    • CPU发出取指命令,将想去地址通过地址总线传到PC
    • 内存根据地址取出对应地址的指令
    • 从总线传回,CPU解释执行

所以,管理CPU最直观的方法就是,设置PC的初值,CPU就能按照规则依次执行下去。

这一点在计组实验的前四周手摇实验室设备进行指令执行,也可以有类似的印象。

这样做有什么问题?

  • 来看下面一段程序

    int main(int argc,char* argv[]){
        int i,to,*fp,sum=0;
        to = atoi(agv[1]);
        for(i = 1; i <=to; i++){
            sum = sum + i;
            fprintf(fp,"%d",sum);
        }
    }
    
  • 如果要让CPU工作,就是要让PC指向这段程序的起始地址。

  • 但是!程序和程序之间是不一样的。例如将fprintf()替换为其他计算语句

    fprintf()是一个IO指令,而替换为计算语句则成为计算指令

  • 替换前后的运行时长进行比较,则前者:后者≈106:1

    说明,IO特别慢

  • 而假设我们遇到一种程序,有106个计算指令,然后一条IO指令,如果还是按照上面所说的设置PC初值,让其自动执行,那么对于CPU来说,其忙碌的计算指令只占到了总时长的一半(另一半在等待IO),利用率不高。

    而如果IO语句再多一点,CPU利用率就更低了。

怎么办?

2. CPU管理的核心:并发

  • 举一个烧水的例子,首先往烧水壶里倒水,然后放在插座上,然后就可以去做别的事情了,等烧水壶响了,这就是中断,这时我们就可以来用烧水壶里的热水了,烧水的过程就类似IO

  • 所以解决方案为:多道程序交替执行,一个CPU上交替执行多个程序,即并发

    这样一道程序执行到像IO这样慢的步骤时,CPU切换到另一个程序进行,而另一个程序进入等待后,再切换回来。

image

可见,上图两个程序A、B充分利用了CPU的计算资源,总时长从80降到了45.

注意两个名词:并行和并发:

并行多人同时工作,并发一个人交替工作。

并且这里一个隐含条件是切换程序的开销要小于运行程序的开销。

如何实现并发呢?

  • 即控制 PC 进行切换

  • 适当的时候修改PC,使得PC指向另一个程序的指令,但是只修改PC会有问题

  • 例如下图左右两个程序,当PC按照逻辑切换回地址53继续程序1的执行,那么ax和bx寄存器应当存储什么值?

    很显然,如果要继续程序1,当然应当为1 和 1,而不是 10 和 10.

    所以当程序切换时,除了切换PC,还要切换很多内容

  • 我们需要记录 切换前的上下文,保护现场。

  • 每个程序有一个存放信息的结构:PCB,process control block,进程控制块。

    就像我们正在看书,突然被人叫走做别的事,我们就应当停下来,记录当前页码以及故事情节,然后离开,这样回来后才能继续阅读。

    image

  • 这样,我们实际运行过程中的程序,就跟我们单纯汇编得到的代码不一样了。即运行程序和静态程序不一样。

    不同之处简单来说就在于需要PCB来记录程序运行起来的样子。

    而程序 + 所有这些不一样 ---> 进程

  • 如何描述这种不同呢?

!进程! 这个概念就用来刻画运行中的程序。比如上图中的程序1 和程序2,就是两个进程

也即进行中的程序,名字其实很形象。

  • 进程有开始、结束,程序没有;
  • 进程会走走停停,是动态的,有状态的,而程序没有;
  • 进程需要记录ax,bx..... 程序不用;

3. 简单总结1

  • 到这里,我们进程描述CPU的管理:

    • 使用CPU:启动一个进程,让CPU去执行这个进程;

    • 更高效的使用CPU:启动多个进程,让CPU去执行多个进程;

    • 跑多个程序/进程的样子,就是CPU管理的核心样子。

      这就是多进程图像。

4. 多进程图像

前文讲到,为了让CPU更好的工作,我们需要让CPU执行多进程,而这个过程如何表征呢?

  • 对于用户而言
    • 就是一个个 PID 进程号;
    • 可供用户查看各进程运行情况;
  • 对于下层操作系统而言
    • 负责管理 各个进程;具体为记录情况、按照合理的次序推进;
    • 分配资源、进行调度;

多进程图像从开机一直存在到关机结束。

4.1 开机到关机过程中的多进程图像

  • 系统启动时,最后启动的 main.c 中最后执行了fork()

    if(!fork()){init();}
    // fork,启动进程的接口
    

    代码意思是:启动一个进程,执行init() ,即执行 shell,接下来就能再 shell 里操作,这就是计算机提供给用户使用的界面(初代版本)。

    可以理解为,操作系统要让用户使用计算机,需要创建一个初始化的进程。

    补充1:

    shell是一个子进程,父进程(main函数)因为成功创建子进程,所以fork()>0 不进init 而子进程fork()==0 进入init,启动shell

    补充2:

    fork()函数返回值是0或1, 返回0代表当前进程是新fork出来的子进程, 非零(也就是为1)代表当前进程为父进程, if条件里的就是父进程的逻辑,一直等待用户输入命令, 然后执行, 一直重复进行

  • shell 再根据用户输入启动其他进程,执行用户的命令也是在创建进程;

    // shell 的核心代码
    int main(){
        while(1){
            scanf("%s",cmd);
            if(!fork()){
                exec(cmd);
                wait();
            }
        }
    }
    

    image

  • 此后,计算机每执行一个任务,就开启一个进程。

4.2 查看当前进程情况 | 任务管理器

在 win10 以上版本中,Ctrl + Shift + Esc 就可看到任务管理器。

  • 其中Explorer是整个Windows的文件系统,如果关掉整个进程,就只能看见背景了。
  • 如果感觉计算机特别慢,就可以打开任务管理器,查看占用CPU资源比例大的进程。
  • 操作系统就是通过管理进程,来管理用户对计算机的使用。

4.3 操作系统如何实现多进程图像

为了实现多进程图像,操作系统都应该解决哪些问题?

  1. 多进程如何组织?
  2. 多进程如何切换?
  3. 多进程交替时,如何相互影响?
  1. 多进程如何组织?也即多进程如何存放?

    • 操作系统感知进程依赖于PCB,组织和存放进程也靠PCB,通过PCB形成一些数据结构(队列),来组织多进程;如下图:

      PCB在这里相当于结构体,组成数据结构的基本单位。

    • 组织好多进程,才能合理推进多进程。

      image.png

  2. 如何推进多进程?

    • 一个进程正在执行

    • 另一些进程在排队(就绪队列)等待执行

    • 还有一些在等待触发事件,即使排到也不能调度执行

      比如上图中的第三列PCB,在等待磁盘操作。

      PCB是用来记录进程信息的数据结构

    • 总结:多进程对应的PCB分别放在不同的地方,执行不同的处理。

    • 把进程通过状态区分开来,通过操作系统对进程状态的转移控制,多进程就向前推进了。

      image.png

  3. 多进程如何交替/切换?

    这部分后续会详细讲解,下面还是简略的过程。

    • 情境:一个进程启动磁盘读写,等待时进行切换。

      下图展示了关键代码,代码注释见图中红色字体;

    • schedule()函数是重点,即调度函数;

    • 下图中的getNext从就绪队列中挑出下一个需要占用CPU的进程;

      选择哪一个进程合适,即进程调度问题,也会用一讲来讲解。

    • switch_to就是用 PCB 进行进程上下文的切换pCurpNew分别指当前进程的 PCB 和调度得到的下一个进程的 PCB ,即进行执行现场的更替。

      交替的三部分:

      • 队列操作+调度+切换
    • image.png

  4. 进程如何调度?

    • 这里先讲两个基础调度算法。
      • FIFO,First In First Out.
        • 显然是比较公平的策略,但是没有考虑进程执行的任务轻重缓急;
      • Priority.
        • 对进程赋予优先级,但如何赋予也是个问题。
  5. 切换进程

    • 调度找到下一个占用CPU的进程后,就要进行切换;

      这个过程需要精细控制,所以需要 汇编代码,下图为伪代码;

    • 做的事情也不难想象,先把将要停下的进程信息保存到PCB1中(将当前CPU的各种信息(寄存器等)保存到pCur中),

      再从将要进行的进程的PCB2中取出信息赋到对应寄存器/位置(将pNew中的寄存器等信息恢复到CPU中

    • image.png
  6. 多进程交替时,如何相互影响?

    互斥、锁的概念。

    • 多进程看似不打照面,但实际上它们同时在一个内存来存放。

      多个进程交替执行会相互影响,包括正面的多进程合作,负面的内存地址冲突等等

      image.png

    • 比如,进程1中,修改了某个地址的值,而这个地址,正好时进程2 包含的地址,这时就会引起进程2崩溃。

    • 如何解决进程间矛盾?

      限制对进程2地址的读写。即:!内存映射!

      其实涉及内存管理了,可见内存管理也服务于CPU管理的多进程图像。

      通过一个映射表,将真实物理地址转化为虚拟存储地址

      image.png

      两个进程的100内存地址,是虚拟逻辑地址,会映射到不同的物理内存;下图中展示了两个进程的100地址分别映射到了物理地址780和1260

      image.png

    • 还有一些时候,进程之间需要进行合作,如何进行进程间合作?

    • 举例1(浅显):

      • 不同的应用程序提交打印任务,打印任务会被放到“待打印文件队列”
      • 打印进程会从“待打印文件队列”中一个接一个的取出打印任务,控制打印机打印
      • 如果对存入打印进程的任务不进行管理,如任务1没放完,任务2就开始放,后面切换时就会出现顺序执行所不会遇到的乱序问题。
    • 举例2(稍深):生产者-消费者实例

      • image.png

      • 生产者和消费者通过共享数据buffer[]进行合作

      • 如果缓冲区满了,就不应该再放了,

        counter记录,如果==buffer_size,说明满了,死循环;没满则counter++

        如果要避免缓冲区满而还向里放的情况,counter 这个信号量必须要保持正确(我突然感觉这是工程代码调试的一个关键)

      • 如果多个进程都在内存中交替执行,counter可能就会出错。

        下面是个具体的例子:

        初始counter=5,生产者执行counter++,消费者执行counter--,在寄存器层面将会是:

        // 生产者P
        register = counter;
        register = register+1;
        counter = register;
        
        // 消费者C
        register = counter;
        register = register -1;
        counter = register;
        

        当生产者的程序执行到中间切换到消费者,可能的代码序列如右上角所示,counter 直接乱了。后续合作就也会乱套。

        image.png

      • 解决合作问题(合作各方的合理推进顺序)的核心在于 !进程同步!

        给 counter 上锁,即写 counter 时阻断其他进程访问 counter.

        image.png

5. 简单总结2

  • 理解CPU管理的基本想法

  • 直观感受了操作系统的多进程

  • 具体了解了多进程图像,探讨了操作系统如何实现多进程图像。

    补充操作系统 多进程图像的发展:

    批处理(顺序)--->多道程序处理---->分时系统

  • 这时多进程图像的大致轮廓,后续会一一展开:

image.png

posted @ 2022-08-20 01:51  climerecho  阅读(157)  评论(0编辑  收藏  举报