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操作系統(tǒng)原理

時間：2021-01-11 15:05:16 操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)原理

　　進程概念是現(xiàn)在操作系統(tǒng)的基本概念，已經(jīng)成為計算機科學中的一大成就。下面是小編分享的相關(guān)內(nèi)容，歡迎閱讀參考。

　　什么是進程?

　　進程的出現(xiàn)，是為了是操作系統(tǒng)可以以一種有序的方式管理應用的執(zhí)行，以達到以下目的：

　　資源對多個應用程序是可用的;

　　物理處理器在多個應用程序之間切換以保證所有程序都在執(zhí)行中;

　　處理器和I/O設(shè)備能得到充分利用;

　　所有現(xiàn)在操作系統(tǒng)采用的方法都是依據(jù)一個或者多個進程存在的應用程序執(zhí)行的一種模型。到底什么是進程呢?

　　進程是一組元素組成的實體，它可以是一個正在執(zhí)行中的程序，也可以是一個能分配給處理器并由處理器執(zhí)行的實體。

　　進程的兩個基本元素是：程序代碼(program code)和代碼相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集(set of data)。

　　在進程執(zhí)行時，任意給定一個時間，進程都可以唯一地表征為以下元素：

　　標識符：進程的唯一標識符，用來區(qū)別其他進程

　　狀態(tài)：進程在不同的生命周期有著不同的狀態(tài)

　　優(yōu)先級：相對于其他進程的優(yōu)先級

　　程序計數(shù)器：程序中即將被執(zhí)行的下一條指令的地址

　　內(nèi)存指針：包含程序代碼和進程相關(guān)數(shù)據(jù)的指針，還有和其他進程共享內(nèi)存塊的指針

　　I/O狀態(tài)信息：包括顯示的I/O請求、分配給進程的I/O設(shè)備和被進程使用的文件列表等

　　記賬信息：可能包括處理器時間總和、使用的時鐘數(shù)總和、時間限制、記賬號等

　　上述的列表信息被存放在一個稱為進程控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，該控制塊由操作系統(tǒng)創(chuàng)建和管理。

　　進程狀態(tài)

　　在任何時刻，進程可以處于以下兩種狀態(tài)之一：運行態(tài)和未運行態(tài)，這是最簡單的兩狀態(tài)模型。在這個模型中，會有一個調(diào)度器(dispatcher)，使處理器從一個進程切換到另外一個進程。

　　'內(nèi)存狀態(tài)轉(zhuǎn)換'

　　由于存在著一些處于非運行狀態(tài)但已經(jīng)就緒等待執(zhí)行的進程，而同時存在另外一些處于堵塞狀態(tài)等待I/O操作結(jié)束的進程。

　　因此，解決這一問題比較自然的方法是使用五狀態(tài)模型：運行態(tài)、就緒態(tài)、堵塞/等待態(tài)、新建態(tài)和退出態(tài)。

　　'五狀態(tài)模型'

　　>>(1)被掛起的進程

　　上述的基本狀態(tài)提供了一種為進程建立系統(tǒng)模型的方法，并指導系統(tǒng)的實現(xiàn)。但是，往這個模型中添加其他狀態(tài)也是合理的。

　　由于處理器的運行速度遠大于I/O，以至于內(nèi)存中所有的進程都在等待I/O的情況也是很常見的。因此，即使是多道程序設(shè)計，大多數(shù)處理器仍然可能處于空閑狀態(tài)。

　　一種解決方案是增大內(nèi)存，使得內(nèi)存中可以存在更多的進程。然而這種方案顯然是治標不治本的。

　　另外一種解決方案是交換(swapping)。當內(nèi)存中沒有處于就緒狀態(tài)的進程時，操作系統(tǒng)就把被阻塞的進程換出到磁盤中的掛起隊列(suspend queue)。操作系統(tǒng)在此之后取出掛起隊列中的另一個進程，或者接受一個新進程，將其加載到內(nèi)存中運行。這時，在進程狀態(tài)模型中添加了另外一個狀態(tài)：掛起態(tài)。

　　當操作系統(tǒng)從掛起隊列中取出一個依然阻塞的進程是毫無意義的，因為它仍然沒有準備好執(zhí)行。所以為了區(qū)分被掛起的進程哪些是可以取出的，需要設(shè)計另外一種掛起模型：

　　為了區(qū)分，需要四個狀態(tài)：

　　就緒態(tài)：進程在內(nèi)存中并可以執(zhí)行

　　阻塞態(tài)：進程在進程中并等待一個事件

　　阻塞/掛起態(tài)：進程在外存中并等待一個事件

　　就緒/掛起態(tài)：進程在外存中，但是只要被載入內(nèi)存就可以執(zhí)行

　　總結(jié)一下掛起的進程的概念：

　　進程不能被立即執(zhí)行。

　　進程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的的發(fā)生不會使進程立即執(zhí)行。

　　為組織進程的執(zhí)行，可以通過代理把這個進程置于掛起狀態(tài)，代理可以是進程自己，也可以是父進程或者操作系統(tǒng)。

　　除非代理顯示的命令操作系統(tǒng)進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則進程無法從這個狀態(tài)中轉(zhuǎn)移。

　　除了因為提供更多的內(nèi)存空間，進程還會因為什么原因被掛起呢?

　　在所有這些導致進程掛起的情況中，掛起進程的活動都是由最初請求掛起的代理請求的。

　　進程描述

　　操作系統(tǒng)控制計算機系統(tǒng)內(nèi)部的事件，它為處理器執(zhí)行進程而進行調(diào)度「schedule」和分派「dispatch」，給進程分配資源，并響應用戶程序的基本服務請求。因此，操作系統(tǒng)可以被視為管理系統(tǒng)資源的實體。

　　操作系統(tǒng)為了控制進程和管理資源需要哪些信息呢?

　　>>(1)操作系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

　　為了管理進程和資源，操作系統(tǒng)構(gòu)造并維護它所管理的每個實體的信息表。

　　操作系統(tǒng)維護四種不同類型的表：內(nèi)存、I/O、文件和進程。

　　內(nèi)存表「memory tables」用于跟蹤內(nèi)存和外存。內(nèi)存表必須包括一下信息：

　　分配給進程的內(nèi)存

　　分配給進程的外存

　　內(nèi)存塊或者虛擬內(nèi)存塊的保護屬性

　　管理虛擬內(nèi)存所需要的任何信息

　　I/O表「I/O tables」用于管理計算機系統(tǒng)中的I/O設(shè)備和通道。在任何給定的時刻，一個I/O 設(shè)備或者是可用的，或者是已分配給某個特定的進程。如果正在進行I/O操作，則操作系統(tǒng)需要知道I/O操作的狀態(tài)和作為I/O傳送的源與目標的內(nèi)存單元。

　　文件表「file tables」用于提供關(guān)于文件是否存在、文件在外存中的位置、當前狀態(tài)和屬性的信息。

　　進程表「process tables」為了管理和操作進程所必須使用的表。

　　>>(2)進程控制結(jié)構(gòu)

　　操作系統(tǒng)在管理和控制進程時，首先必須知道進程的位置，然后，它必須知道在管理時所必需的進程的屬性(如進程ID、進程狀態(tài))。

　　進程位置

　　想一個最基本的問題：進程的物理表示是什么?

　　回想之前關(guān)于進程的定義，進程至少包括一個或者一組被執(zhí)行的程序，與這些程序相關(guān)聯(lián)的局部變量、全局變量和任何已定義常量的數(shù)據(jù)單元。因此，一個進程至少包括足夠的內(nèi)存空間，以保存該進程的程序和數(shù)據(jù);此外，程序的執(zhí)行通常設(shè)計用于跟蹤過程調(diào)用和過程間參數(shù)傳遞的棧。最后，與每個進程相關(guān)聯(lián)的還有操作系統(tǒng)用于控制進程的許多屬性，也就是進程控制塊。程序、數(shù)據(jù)、棧和屬性的集合稱為進程映像「process image」。

　　在最簡單的情況下，進程映像保存在鄰近的活連續(xù)的存儲塊中。因此，操作系統(tǒng)必須知道每個進程在磁盤中的位置;對于在內(nèi)存中的進程，需要知道其在內(nèi)存中的位置。

　　現(xiàn)代操作系統(tǒng)嘉定分頁硬件允許用不連續(xù)的物理內(nèi)存來支持部分常駐內(nèi)存的程序。在任何給定的時刻，進程映像的一部分可以在內(nèi)存中，剩余部分可以在外存中。因此，操作系統(tǒng)維護的進程表必須表明每個進程映像中每頁的位置。

　　進程屬性

　　操作系統(tǒng)所需要的'每個進程信息的簡單分類：

　　進程標識信息

　　進程狀態(tài)信息

　　進程控制信息

　　所有的操作系統(tǒng)中，每個進程都分配了唯一的一個數(shù)字來表示進程標識符。除此之外，還分配一個用戶標識符，用于表明擁有該進程的用戶。

　　處理器狀態(tài)信息包括處理器寄存器的內(nèi)容。當進程被中斷時，所有寄存器中的信息必須被保存起來，使得進程恢復執(zhí)行時，這些信息可以被恢復。

　　進程控制塊中的第三類主要信息是進程控制信息，用于操作系統(tǒng)控制和協(xié)調(diào)各種活動進程所需要的額外信息。

　　進程控制塊中可能還包含構(gòu)造信息，包括將進程控制塊鏈接起來的指針。

　　進程控制塊的作用

　　進程控制塊是操作系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。操作系統(tǒng)中的每個模塊，包括那些設(shè)計調(diào)度、資源分配、中斷處理、性能檢測和分析的模塊，都可能讀取或者修改進程控制塊。

　　進程控制

　　>>(1)執(zhí)行模式

　　為了保護操作系統(tǒng)和重要的操作系統(tǒng)表不受用戶程序的干涉，操作系統(tǒng)通常使用兩種模式管理進程：特權(quán)模式『也稱為系統(tǒng)模式(system mode)、控制模式(control mode)或者內(nèi)核模式 (kernel mode)』，和用戶模式。

　　在內(nèi)核模式下，軟件具有對處理器及所有指令、寄存器和內(nèi)存的控制能力，這一級的控制對用戶程序不是必需的，并且為了安全也不是用戶程序可以訪問的。

　　>>(2)進程創(chuàng)建

　　操作系統(tǒng)一般安裝以下步驟創(chuàng)建進程：

　　給進程分配一個唯一的進程標識符。此時，主進程表中增加一條新表項，其對應該進程。

　　給進程分配空間。包括進程映像中的所有元素。

　　初始化進程控制塊。進程控制信息部分的初始化基于標準默認值和為該進程所請求的屬性。

　　設(shè)置正確的連接。

　　創(chuàng)建或者擴充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　>>(3)進程切換

　　關(guān)于進程切換，有著一些問題。

　　進程什么時候進程切換?

　　執(zhí)行模式切換和進程切換之間有什么區(qū)別?