计算机系统

操作系统的主要功能：1、向上提供更高层次的抽象； 2、向下管理各种硬件。

进程模型，如果只考虑3种状态，那么存在四种转化关系；如果考虑挂起，会增加六种转化关系。

计算机系统包括硬件和系统软件，计算机硬件包括I/O总线，如果IO设备需要与CPU通信，需要使用控制器或适配器接入I/O总线。

C语言源程序需要经历4个阶段（预处理cpp、编译器、汇编器、链接）最终转化为可执行目标文件，链接之前称为可重定位目标文件。  --by《深入理解计算机系统》

编译之后的文件称之为目标文件，链接库文件之后，称为可执行文件。  --by《C++程序设计教程》钱能

编译器作用，能够使不同编译器编译出来的不同高级语言得到统一的输出。一个字长是系统级的参数，可能是4字节（32位）或者8字节（64位）。

CPU含有PC（程序计数器、一个字长）、寄存器（多个字长）、计算和逻辑运算单元。

每个进程都需要对应一个PCB，PCB描述和控制进程，多个PCB的组织方式可以通过顺序表、链接表、索引表。PCB需要存储程序暂停时的现场信息。

操作系统的三级调度：

1. 高级调度 任务调度
2. 中级调度 换入换出
3. 低级调度 进程调度 也就是CPU调度

操作系统采用何种调度算法取决于系统的设计目标。

评价CPU调度算法的性能，可以从两个角度，系统角度有吞吐量，CPU利用率，各个资源平衡利用，公平性；用户角度有作业周转时间、截止时间。

批处理系统，看重吞吐量；

分时系统，看重响应时间和调度公平性，常用时间片轮转调度算法；

实时系统，抢占式调度，高优先级的进程期望得到立刻响应。

6种调度算法，FCFS，先到先服务，有利于长任务（进程），不利于短任务（进程），有利于CPU繁忙的进程，不利于IO繁忙的进程；

SJF／SPF，短任务／短进程优先，需要预估作业（进程）运行时间，长任务（作业）可能长时间得不到运行；

高响应比优先调度算法，响应比=1+等待时间/运行时间，可以平衡短任务（进程）与长任务（进程），但是同样需要预估运行时间，每次都需要计算响应比；

RR，时间片轮转；优先级调度算法，可以设置静态优先级，动态优先级；多级反馈队列调度算法。

就作业平均周转时间而言，FCFS最长，高响应比优先次之，SJF最短。

CPU在两种情况下会切换，运行态->阻塞态，运行态->就绪态。进程自身只能控制自己由运行态->阻塞态，不能控制其他状态转换。

作业周转时间=等待时间+运行时间；带权作业周转时间=1+等待时间/运行时间。

传统进程，充当资源管理实体，调度和分派实体。支持线程的进程，线程作为调度和分派的实体，进程只作为资源管理实体。进程下的所有线程共享内存，共享地址空间。

线程的实现方式有：1、内核态实现，优点是比较简单，操作系统实现这一切，缺点是每次切换都需要陷入内核态，占用宝贵的内核态内存；2、用户态实现，优点是切换效率较高，缺点是需要改写操作系统，在每次进程阻塞切换时，首先查看进程中有没有没有阻塞的线程可以执行，就是所谓的“第二次机会”，另外最大的问题是违背软件原则，下层的程序（操作系统）调用了上层的服务（执行系统线程）；3、目前的方式是采用混合实现，阻塞线程在内核态进行管理，其他线程在用户态管理。

---

 

进程互斥和同步，多个进程需要抢占同一个互斥资源，产生间接制约关系，是互斥；多个进程需要按照一定的顺序执行，产生直接制约关系，是同步。互斥可以认为是同步的一种特殊情况，各个进程在互斥的基础上，通过同步的方式向前推进。每个进程独立的、以不可预测的方式向前推进，在某些时间点需要进行同步。互斥的实现会产生的两个问题，饥饿和死锁，死锁可以理解为两个进程各占有一部分资源，然后彼此在等待获取对方占有的资源。

互斥资源被称为临界资源，访问临界资源的代码叫做临界区。在进入临界区之前先进入进入区，临界区执行完后进入退出区。

实现互斥访问资源的四个原则：1、空闲进入 2、忙则等待 3、有限等待 4、等待让权，所谓等待让权就是进程在等待的时候不要占用CPU，导致CPU“忙转”。

实现互斥和同步的本质是处理好设置进入区和退出区。硬件方式，使用专用机器指令（该指令不能被中断），1、开关中断指令 2、标志测试指令 3、交换指令。前一个指令的问题是只适合单CPU并且有些进程可能执行时间过长，后两个指令的问题是进入临界区之前需要不断测试全局变量s和局部变量key，CPU处于“忙转”。软件方式，采用二标志，T₁=1标示进程1（下面以P₁表示）占用资源，T₂=1标示P₂占用资源，可能会产生P₁、P₂都进入临界区或都不能进入临界区的问题。采用三标志T₁，T₂，T，用T标示哪个进程实际进入临界区，以进程P₁为例，在进入临界区之前设置T₁=1，T=2，然后执行while循环测试while(T₂=1&&T=2)，如果P₂同时到达，那么此时T₂=1，当P₂执行T=1后，P₁退出循环，进入临界区；若P₂能获得执行同理。该方式同样存在循环测试，CPU“忙转”的问题。

信号量，分为整型信号量，结构体信号量，在结构体信号量s中存在一个整型分量和一个PCB指针分量。整型信号令需要循环测试，现在都是使用结构体信号量。信号量分为资源信号量（互斥资源的申请和释放）和控制信号量（进程的互斥和同步）。资源信号量，整型分量用来表示剩余资源的数量，如果小于0，绝对值与阻塞的进程数相等；控制信号量，整型分量表示的是一个同步信号，大于0的时候无需进行同步，小于0的时候需要进行阻塞同步。设s为信号量，提供P(s)、V(s)原语操作，P(s)先对s.value执行-1操作，s.value<0需要将进程进阻塞队列；V(s)先对s.value执行+1操作，s.value<=0，需要将一个进程出阻塞队列。

经典进程同步问题，进程同步可能会产生死锁、饥饿问题。

1、生产者-消费者问题（使用数组作为循环队列实现有限缓冲池，每个数组元素是一个缓冲区）

　　生产者有信号量empty标示有多个空的缓冲区，消费者有信号量full标示有多少个满的缓冲区，同时使用信号量mutex来实现互斥访问共享的缓冲池。多个P调用时候，先执行私有信号量，再执行公用信号量，如果顺序颠倒，可能会产生死锁。

2、哲学家进餐问题（5个哲学家围成一个圈，每个哲学家分别左手右手有一只筷子，哲学家左右手都拿起筷子后可以吃饭）

　　死锁：5个人都拿起了左手的筷子，等待拿右手的筷子；

　　饥饿：5个人都拿起左手的筷子，然后等待右手的筷子，没拿到，又都放下左手的筷子，一段时间后，再次都拿起了左手的筷子，如此循环往复。

　　解决的方式有3种：

• 只允许四个人同时拿起左手的筷子；
• 使用AND信号量，将拿左手的筷子和拿右手的筷子操作合并；
• 编号，奇数的哲学家拿左手的筷子，偶数的哲学家拿右手的筷子。

3、读者-写者问题