东莞公司高端网站建设,apache 配置网站,在线销售型的网站,一站式建站价格操作系统概念#xff08;黑皮书#xff09;阅读笔记
进程和内存管理部分章节 导论#xff1a; 操作系统类似于政府#xff0c;其本身不能实现任何有用功能#xff0c;而是提供一个方便其他程序执行有用工作的环境 个人理解#xff1a;os是government的作用#xff0…操作系统概念黑皮书阅读笔记
进程和内存管理部分章节 导论 操作系统类似于政府其本身不能实现任何有用功能而是提供一个方便其他程序执行有用工作的环境 个人理解os是government的作用有着最高权限去管理和分配资源有效且公平 计算机系统的根本目的是执行用户程序并更容易解决用户程序。控制和分配I/O设备资源的共同功能被组成一个软件模块os os是一直运行在计算机上的程序内核 除内核外还有两类程序 系统程序与系统运行有关但不是内核的一部分 应用程序与系统运行无关的其他程序 个人理解系统程序是编译器、链接器那种性质的但不是os应用程序就是除开系统程序和os os的运行 计算机开机后先加载位于只读内存ROM上的引导程序在通过引导程序去定位os内核并加载到内存一旦内核加载到内存并执行它就开始为系统和用户提供服务除了内核系统程序也提供了一些服务他们在启动时加载到内存成为系统后台程序。一旦这个阶段完成系统就完全启动了等待事件发生事件发生通常硬件或软件的中断来通知。 硬件通过系统总线发送信号到CPU来触发中断软件可通过执行系统调用来触发中断 CPU被中断时它停止正在做的是事情立即转到固定位置中断服务程序的开始地址执行该中断服务程序结束再去重新执行中断的计算 存储结构 内存也称随机访问内存Random Access Memory RAM通常为动态随机访问内存DRAM 个人理解内存中的数据就是随机分布并不连续所以是随机访问 只读内存Read Only Memory ROM数据不可修改 内存特点易丢失掉电丢失数据。但是ROM不是这样ROM已经固化在内存上了 外存数据持久化 I/O结构 每个设备控制器管理一系列特定类型的设备os为每个设备控制器提供了设备驱动程序 os是中断驱动的事件是由中断或陷阱或异常引起的 陷阱或异常是一种软件生成的中断或源于出错或源于用户程序的特定请求 双重模式与多重模式的执行 为确保os的正确运行必须区分操作系统代码和用户代码的执行用户模式和内核模式 计算机硬件可以通过模式位mode bit来表示当前模式内核模式0和用户模式1os执行用户应用时系统处于用户模式当用户通过系统调用请求操作系统服务时系统必须从用户模式切换为内核模式 进程管理 执行中的程序称为进程程序本身不是进程程序是被动实体进程是主动实体进程是系统的工资单元。系统由多个进程组成其中有操作系统进程和用户进程。所有进程并发执行。 内存管理 内存是以一个大的字节数组如果CPU需要执行指令那么这些数据必须首先通过CPU的IO调度从硬盘传到内存为了改进CPU的利用率和用户的计算机响应速度。计算机在内存中保留了多个程序这就需要内存管理 存储管理 操作系统对存储设备的物理属性进行了抽象并定义了逻辑单元即文件 File。os映射文件到物理媒介并通过存储设备来访问文件 操作系统结构 用户与os的界面命令解释程序和图形用户界面GUI 有的os内核就包括命令解释程序。解释程序称为Shell外壳将用户输入的命令转换为机器指令GUI消耗资源更多系统更复杂bug也更多 系统调用提供os服务接口.这些API通常以c 、 cpp 、汇编写的 开发人员根据API来设计程序系统调用大致分为六大类 进程控制、文件管理、设备管理、信息维护、通信、保护 随着内核功能越来越多内核变得更大和难以管理采用微内核技术对内核进行模块化即从内核中删除所有不必要的部件将他们当作系统级与应用级的程序来实现使得内核变小 微内核的主要功能是为客户端程序和运行在用户空间的各种服务提供通信通信是通过消息传递来提供的 优点便于拓展os更安全便于移植 缺点增加系统功能的开销微内核性能受损 个人理解把很多原来在内核态运行的服务放出去了导致调用时频繁切换状态 进程 现代os允许加载多个程序到内存以便并发执行。这些需求导致进程这个概念的产生进程即为执行中的程序 程序本身不是进程。程序是被动实体。如存储在磁盘上的包含一系列指令的文件可执行文件 而进程是活动实体。当一个可执行文件被加载到内存时这个程序就成为进程 进程是执行中的程序实体这话不一定准确 进程是os进行资源分配和调度的基本单位 os中的每个进程采用进程控制块Process Control Block PCB表示 PCB保存一系列信息进程状态、进程编号、pc、寄存器、内存界限、打开文件列表。。。。。PCB存在一个双向链表中进程的上下文采用进程PCB表示 分时系统的目的是在进程之间快速切换CPU以便用户在程序运行时能与其交互 进程在进入系统时会被加入作业队列job queue 驻留在内存中的就绪的等待运行的进程保存在就绪队列上这个列表通常用链表实现 等待特定IO设备的进程列表称为设备列表 上下文切换的时间是纯粹的开销在这个过程中CPU没有做任何有用的工作 大多数OS对进程的识别采用唯一的进程标识符process identifier pid通常是一个整数值。 通过pid可以访问内核中的进程的各种属性 进程间通信 Soket Socket为通信的端点。通过网络通信的每对进程需要一对Socket即每个进程各一个Socker每个Socket由 ip 和端口组成使用Socket通信常用且高效属于是分布式进程之间的一种低级形式的通信。因为通信进程之间交换的是无结构的字节流客户端和服务器程序需要自己加上数据结构 RPC管道 多线程编程 每个线程是CPU使用的一个基本单元 线程包括线程IDpc寄存器组和堆栈。它与同一进程的其他线程共享代码段、数据段和os其他资源 一个进程一般具有多个线程那么进程能同时执行多个任务 一个进程为什么要创建多个线程 OS创建多个进程比一个进程中创建多个线程开销大进程间通信比线程间通信更复杂 优点 响应性如果一个交互程序采用多线程那么即使部分阻塞或执行冗余操作它仍然可以继续执行从而增加对用户的响应速度 资源共享进程只能通过共享内存和消息传递之类的技术共享资源。而线程默认共享它们所属进程的内存和资源 经济进程创建所需的内存和资源分配非常昂贵 可伸缩性对于多处理器体系结构多线程的优点更大因为线程可在多处理器核上并行运行 多线程模型 用户线程位于内核之上它的管理无需内核支持内核线程由OS来直接支持与管理 进程调度 调度程序是一个模块用来将CPU控制权交给由短期调度程序选择的进程。 功能包括 切换上下文切换到用户模式跳转到用户模式的合适位置以便重启程序 不同的调度算法具有不同的特点 最简单的CPU调度算法是先到先服务First - Come First - Served, FCFS调度算法。先请求CPU的进程首先分配到CPU通过FIFO队列简单实现 FCFS调度算法是非抢占的 优点实现简单 缺点平均等待时间往往很长 最短作业优先Shortest - Job - First SJF调度算法将每个进程与其下次CPU执行的长度关联起来。当CPU空闲时它会被赋给具有最短CPU执行的进程 SJF算法是最优的因为平均等待时间最小CPU更忙碌 SJF调度经常用于长期调度。对于批处理系统的长期调度可以将用户提交作业指定的进程时限作为长度 SJF算法不能在短期CPU调度上加以实现没法知道下次CPU执行的长度 FCFS调度算法是非抢占的或抢占式 优先级调度算法 优先级调度算法是非抢占的或抢占式它的主要问题是无穷阻塞或饥饿问题饥饿的解决方案之一是老化就是说逐渐增加等待很长时间的优先级 轮转Round - Robin调度算法专门为分时系统设计 将一个时间单元10ms ~ 100ms定义为时间片。就绪队列作为循环队列为每一个进程分配不超过一个时间片的CPU执行时间片一到就会中断OS进行上下文切换RR调度的平均等待时间通常较长 多级队列调度算法将就绪队列分成多个单独队列 根据进程属性如内存大小进程优先级进程类型等一个进程永久分到一个队列。每个队列有自己的调度算法每个队列与更低层队列相比有绝对的优先缺点可能存在饥饿问题允许进程在队列之间迁移 之前讨论的是单处理器的调度问题如果多个CPU则负载均衡成为可能但调度就更复杂 多处理器调度 非对称多处理 让一个CPU去处理所有调度决定、IO处理以及其他系统活动其他CPU只执行用户代码这样因为只有一个CPU访问系统数据结构减少了数据共享的需要 多对称处理SMP 每个CPU关系平等对SMP来说负载平衡很重要 处理器亲和力 大多数OS避免将一个进程从一个cpu移到另一个cpu而是试图让它始终运行在一个cpu上即一个进程对它运行的处理器具有亲和力个人理解迁移进程那么在原先CPU缓存中的数据还要删除和迁移麻烦耗资源所以要避免 负载平衡 分为推迁移和拉迁移这两个迁移就是方向不一样高负载CPU到低负载CPU就是推反之就是拉在负载平衡中二者是并行实现 实时CPU调度 软实时硬实时 延迟 中断延迟调度延迟 用于实时OS的调度程序应支持抢占的、基于优先级的算法 同步 每个进程在执行一段代码可能修改公共变量那这段代码称为临界区 不能有两个进程在它们的临界区共同执行 硬件同步 基于加锁为前提通过锁来保护临界区。通过硬件指令来解决临界区问题 软件同步 最简单的是使用互斥锁防止竞争条件 一个进程在进入临界区的时候得到锁退出临界区的时候释放锁忙等待当一个进程在临界区中任何其他进程在进入临界区必须不断循环判断。这种互斥锁也叫自旋锁进程不断旋转等待锁变得可用忙等待浪费CPU周期优点是没有切换上下文 信号量 一个信号量S是一个整形变量。它除了初始化只能通过两个标准原子操作wait和signal来访问 wait最初称为P原语测试减一 siganl最初称为V原语增加加一 OS通常区分技术信号量与二进制信号量 二进制信号量类似于互斥锁 计数信号量可以用于控制访问具有多个实例的某种资源。信号量的初始值为可用资源数 当进程需要使用资源时对信号量执行wait操作 进程释放资源时再对信号量执行signal操作 多个进程无限等待一个事件而该事件只能由这些等待进程之一来产生。这种状态称为死锁 内核数据通常是用锁保护的较高优先级的进程不得不等待较低优先级的进程用完资源 经典同步问题 有界缓存问题哲学家就餐: 死锁 如果所申请的资源被其他进程占有那么该等待等待进程有可能再也无法改变状态。这种情况称为死锁多进程对共享资源的竞争可能导致死锁系统中可能产生死锁的四个条件 互斥这个资源一次只能被一个进程使用占有并等待一个进程占有至少一个资源并等待另一个资 源 而该资源被其它进程所占有非抢占资源不能被抢占只能自己资源释放循环等待 死锁恢复 中止一个或多个进程来打破循环等待从一个或多个死锁进程那里抢占一个或多个资源 内存管理 内存由一个很大的字节数组来组成每个字节都有各自的地址即内存地址 CPU根据PC的值从内存中提取指令这些指令可能引起对特定内存地址的额外加载与存储 首先需要确保每个进程都有一个单独的内存空间单独的空间才能保障不互相影响。 需要确定一个进程可以访问的合法地址的范围且确保该进程只能访问这个合法地址 通过两个寄存器通常为基地址和界限地址。 基地址寄存器保存的时最小的合法的物理内存地址。界限寄存器保存的是范围的大小也就是偏移量 内存空间保护的实现是通过CPU硬件对在用户模式下产生的地址与寄存器的保存的地址比较来完成的 大多数系统允许用户进程放在物理内存中的任意位置 源程序中的地址通常是用符号表示 编译器将这些符号地址绑定到可重定位的地址如“从本模块开始的第14字节” 链接程序或加载程序再将这些可重定位的地址绑定到绝对地址如324312 每次绑定都是从一个地址空间到另一个地址空间的映射 指令和数据绑定到存储器地址可在沿途的任何一步中进行 逻辑地址CPU生成的地址称为逻辑地址 个人理解代码加载运行时的变量的地址本书中逻辑地址和虚拟地址 虚拟地址到虚拟地址的映射是由MMU内存管理单元 不连续内存分配 分段 根据段号去段表查询界限位置和基地址 分页 避免了外部碎片分页就是将内存分成固定大小的块根据页码去页表查询基地址和偏移量有TCL就先查TCL缓存分页优点之一是可以共享内存。多个分页可以指向同一块内存地址 虚拟内存管理 虚拟内存将用户逻辑内存与物理内存分开 虚拟内存允许执行进程不必完全处于内存 允许进程轻松实现共享文件和内存 LRU算法Least - Recent - Used最近最少使用
